початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2286639

СПОСІБ безперебійного електропостачання СПОЖИВАЧІВ
Електроенергетичної системи, ПРАЦЮЮЧОЇ на нестабільність
ИСТОЧНИКАХ ЕНЕРГІЇ

Ім'я винахідника: Дмитрієв Володимир Сергійович (RU); Карпов Сергій Іванович (RU); Колобродити Володимир Кирилович (RU); Савчук Віктор Дмитрович (RU); Трусов Володимир Миколайович
Ім'я патентовласника: ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "ДЕРЖАВНЕ МАШИНОБУДІВНЕ КОНСТРУКТОРСЬКЕ БЮРО" ВЕСЕЛКА "ІМ. А.Я. Березняки"
Адреса для листування: 141980, Московська обл., М Дубна, вул. Жуковського, 2а, ВАТ "ГосМКБ" ВЕСЕЛКА "ім. А.Я. Березняка", патентний відділ
Дата початку дії патенту: 2005.05.05

Використання: в електроенергетиці для електропостачання споживачів. Технічний результат полягає в розширенні діапазону використовуваних потужностей нестабільних джерел енергії при високому коефіцієнті використання їх енергії і зменшення ємності акумулятора. Спосіб безперебійного електропостачання включає перетворення енергії нестабільного джерела в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенератора змінного струму і накопичення енергії постійного струму в акумуляторі, при цьому стабілізацію частоти напруги мережі здійснюють за допомогою регульованої ємнісний матриці з двонаправленими ключами, номінали конденсаторів якої обрані зі співвідношення 8- 4-2-1, якою управляють аналого-цифровий схемою фазочастотной автопідстроювання частоти мережі до частоти опорного генератора промислової частоти, а стабілізацію амплітуди здійснюють за рахунок модуляції напруги мережі широтно-імпульсним модулятором, причому комутацію ємнісний матриці і мережі до джерела постійного струму виконують двома тиристорн ключовими мостами, діагоналі постійного струму яких підключені до акумулятора через транзистор, яким керують широтно-імпульсним модулятором, а діагоналі змінного струму мостів підключені до мережі змінного струму і до ємнісний матриці відповідно.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до електроенергетики, зокрема до області електропостачання споживачів, підключених до електроенергетичній системі, що працює від нестабільних, переважно поновлюваних, джерел енергії, наприклад, вітроелектричних автономних установок або автономних гідроелектричних станцій малої потужності.

Відомий, прийнятий за прототип, спосіб безперебійного електропостачання споживачів електроенергетичної системи, що працює на відновлюваних джерелах енергії - патент РФ №2153752 H 02 J 3/28, 3/32, що включає перетворення енергії поновлюваних джерел в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенераторів змінного струму, перетворення за допомогою випрямлячів енергії змінного струму в енергію постійного струму, стабілізацію напруги постійного струму, накопичення енергії постійного струму в акумуляторі, заряджає зазначеним постійним струмом, перетворення за допомогою інвертора електричної енергії постійного струму в електричну енергію змінного струму і видачу її на навантаження споживача. При цьому управління режимом роботи генератора виробляють шляхом зміни ємнісного опору акумулятора в процесі його зарядки при підтримці величини напруги зарядки, заданої в діапазоні між мінімальною і максимальною величинами напруги на навантаженні споживача. Причому ємність акумулятора розраховується за величиною добового споживання енергії навантаженням споживача. При використанні даного способу можуть використовуватися кілька джерел енергії, кожен з яких піддається перетворенню змінної напруги в постійне, і підсумовування енергії в загальному акумуляторі, що має велику ємність, розраховану на добове споживання. Управління режимом роботи генераторів шляхом зміни ємності акумулятора при підтримці напруги зарядки призводить до зміни струму зарядки. Це і дозволяє акумулятора виступати в ролі виконавчого пристрою системи регулювання, яка стабілізує коливання енергії, що генерується. Тут струм зарядки, при постійній напрузі зарядки, дорівнює різниці між струмом джерел і струмом навантаження.

Суттєвими ознаками прототипу, що збігаються з суттєвими ознаками винаходу, є - спосіб безперебійного електропостачання споживачів електроенергетичної системи, що працює на нестабільних джерелах енергії, включає перетворення енергії нестабільного джерела в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенератора змінного струму і накопичення енергії постійного струму в акумуляторі.

Спосіб-прототип забезпечує безперебійне електропостачання споживачів, однак характеризується низьким коефіцієнтом використання енергії нестабільного (поновлюваного) джерела для випадку, коли потужність його менше розрахункової номінальної потужності. Це пояснюється тим, що за рахунок застосування стабілізаторів напруги і паралельного підключення виходів стабілізаторів і шин харчування акумуляторної батареї енергія генератора зі зниженою потужністю, коли його випрямлена напруга менше напруги стабілізації, не передається в акумулятор.

Енергія такого генератора і не передається і в навантаження, оскільки навантаження живиться через інвертор від акумулятора у всіх режимах генератора. Останнє зауваження і вказує на інший істотний недолік, а саме в енергетичній системі розрахунок акумулятора і інвертора ведеться з умови максимальної потужності навантаження споживача. Точніше, ємність акумулятора повинна бути настільки величезною, що вартість акумулятора і його обслуговування стають порівнянні з вартістю, наприклад, вітроелектричної установки. Причому, подвійне перетворення енергії (з змінного струму в постійний і потім назад) при малих потужностях і знижує коефіцієнт використання енергії. Таким чином, спосіб-прототип має недолік, який проявляється при всіх режимах генератора відновлюваної енергії.

Пропонованим способом вирішується технічна задача розширення діапазону використовуваних потужностей нестабільних, переважно поновлюваних джерел енергії, при високому коефіцієнті використання енергії джерел і використанні акумулятора зі значно меншою ємністю.

Для досягнення зазначеного технічного результату в способі безперебійного електропостачання споживачів електроенергетичної системи, що працює від нестабільного джерела енергії, що включає перетворення енергії нестабільного джерела в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенератора змінного струму і накопичення енергії постійного струму в акумуляторі, стабілізацію частоти напруги мережі здійснюють за допомогою регульованої ємнісний матриці з двонаправленими ключами, номінали конденсаторів якої обрані зі співвідношення 8-4-2-1, якою управляють аналого-цифровий схемою фазочастотной автопідстроювання частоти мережі до частоти опорного генератора промислової частоти (ФАПЧ-смужка), а стабілізацію амплітуди здійснюють за рахунок модуляції напруги мережі широтно-імпульсним модулятором, причому комутацію ємнісний матриці і мережі до джерела постійного струму виконують двома тиристорн ключовими мостами, діагоналі постійного струму яких підключені до акумулятора через транзистор, яким керують широтно-імпульсним модулятором, а діагоналі змінного струму мостів підключені до мережі змінного струму і до ємнісний матриці відповідно.

Відмінними ознаками пропонованого способу є - стабілізацію частоти напруги мережі здійснюють за допомогою регульованої ємнісний матриці з двонаправленими ключами, номінали конденсаторів якої обрані зі співвідношення 8-4-2-1, якою управляють аналого-цифровий схемою фазочастотной автопідстроювання частоти мережі до частоти опорного генератора промислової частоти , а стабілізацію амплітуди здійснюють за рахунок модуляції напруги мережі широтно-імпульсним модулятором, причому комутацію ємнісний матриці і мережі до джерела постійного струму виконують двома тиристорн ключовими мостами, діагоналі постійного струму яких підключені до акумулятора через транзистор, яким керують широтно-імпульсним модулятором, а діагоналі змінного струму мостів підключені до мережі змінного струму і до ємнісний матриці відповідно.

Завдяки наявності зазначених відмінних ознак (в сукупності з відомими з прототипу) в електроенергетічекой системі з генератором змінного струму, обертання якого обумовлена ​​джерелом нестабільної енергії, досягається наступний технічний результат:

- Для стабілізації напруги електроенергетичної системи потрібна менша ємність акумуляторної батареї, яка підключається лише у випадках суттєвих провалів потужності нестабільного (поновлюваного) джерела. Причому в цих режимах енергія поновлюваного джерела і йде в мережу на відміну від прототипу, тим самим енергія джерела підсумовується з енергією акумуляторної батареї;

- В разі застосування даного способу до вітроелектричної енергетичній системі стабілізація напруги мережі поворотом лопаті не потрібно, залишається лише низькочастотний поворот лопаті з метою обмеження навантажень на установку;

- Коефіцієнт використання енергії поновлюваного джерела підвищується за рахунок виключення подвійного перетворення енергії АС-ДС-АС і за рахунок підсумовування енергії від акумулятора з енергією поновлюваного джерела в режимах малої його потужності;

- З'являється можливість використання вітроелектричних установок в умовах нестабільних вітрів або гідроелектричних станцій малої потужності в умовах нестабільних течій або рівнів води, оскільки використовується навіть мала їх енергія.

В результаті пошуку за джерелами патентної та науково-технічної інформації сукупність ознак, що характеризує пропонований спосіб безперебійного енергопостачання споживачів електроенергетичної системи, що працює на відновлюваних джерелах енергії, які не було виявлено. Таким чином, пропонований спосіб відповідає критерію охороноздатності "нове".

На підставі порівняльного аналізу запропонованого способу з відомим рівнем техніки за джерелами науково-технічної і патентної інформації можна стверджувати, що між сукупністю ознак, у тому числі і відмінних, і виконуваних ними функцій і досягаються цілей спостерігається неочевидна причинно-наслідковий зв'язок. На підставі викладеного можна стверджувати, що пропонований спосіб не слід явно з рівня техніки і, отже, відповідає критерію охороноздатності "винахідницький рівень".

Запропоноване рішення може знайти застосування в електроенергетиці для безперебійного електропостачання відповідальних споживачів, підключених до автономних електроенергетичних системах, які працюють від нестабільних, переважно поновлюваних джерел енергії, особливо у вітроенергетиці. Тому це рішення відповідає критерію "промислово придатним". Запропонований спосіб реалізується наведеною схемою. Причому показана одна фаза мережі. Для трифазної мережі потрібні 3 незалежні схеми. На схемі позначені: 1 - електрогенератор змінного струму промчастоти (джерело відновлюваної енергії), 2 - місткість матриця з ключами, 3 і 4 - тиристорні мости №1 і №2, 5 - транзисторний ключ, 6 - джерело постійного струму - акумуляторна батарея, 7 - джерело постійного струму - дизель-генератор, 8 - шим-модулятор, 9 - схема фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), 10 - датчик частоти мережі. Вихідна обмотка електрогенератора 1 і місткість матриця з ключами 2 включені в вихідні діагоналі (діагоналі змінного струму) мостових тиристорних схем 3 і 4 відповідно. Тиристорні мости 3 і 4 через транзисторний ключ 5 діагоналлю постійного струму (вхідний) підключені до джерела постійного струму 6 або 7. Транзисторний ключ 5 управляється шим-модулятором 8. Управління ємнісний матрицею 2 і шим-модулятором 8 здійснює схема фазового автопідстроювання частоти 9. Ця ж схема 9 формує сигнали перемикання для тиристорних мостів 3 і 4. Схема ФАПЧ 9 працює за сигналами з датчика частоти мережі 10.

Стабілізація частоти мережі здійснюється схемою ФАПЧ 9, виконавчим елементом якої є місткість матриця 2. Ємнісна матриця 2 виконана з n паралельно з'єднаних ланцюгів, кожна з яких представляє собою послідовне з'єднання двонаправленого силового ключа і конденсатора. Номінали кожного i-го конденсатора обрані в двійковому коді, тобто З _i = 2 ^Ci-1. Тиристорні мости 3 і 4 підключають конденсаторну матрицю 2 паралельно мережі в режимах перевищення енергії поновлюваного джерела енергії 1 (струм генератора 1 більше струму навантаження). Для цих режимів характерно збільшення оборотів генератора 1. При паралельному підключенні до обмотці генератора 1 регульованою ємності 2 змінюється фаза між вектором струму і вектором напруги мережі (змінюється реактивна потужність втрат мережі, що витрачається на перезаряд конденсатора). Схема ФАПЧ 9 по ланцюгу зворотного зв'язку (датчик 10) визначає неузгодженість фаз між мережею та власним опорним генератором промислової частоти 1 за допомогою власного фазового випрямляча або схеми виключає Або. Вихідний сигнал фазового випрямляча фільтрується, перетворюється в цифровий код і цим кодом управляється місткість матриця 2 (до мережі підключається певна комбінація конденсаторів через тиристорні мости 3 і 4). Збільшення струму генератора 1 веде до збільшення ємності, підключеної до мережі батареї конденсаторів, що збільшує втрати реактивної потужності, що в свою чергу накладає більший момент на вал генератора 1, що призводить до зменшення оборотів його (вала і до зменшення частоти напруги мережі. У наявності стабілізуюча негативний зворотний зв'язок, подібна зв'язку в ФАПЧ-схемах. Роль генератора, керованого напругою (ГУН), тут грає регульована місткість матриця 2 спільно з генератором 1.

Для режимів, коли струм генератора 1 менше струму навантаження, ключ 5 підключає тиристорні мости 4 і 3 з матрицею 2 і електрогенератором 1 до джерела постійного струму 6 або 7. Причому поки напруга джерела 6 (акумуляторна батарея) знаходиться в межах номінального, дизель-генератор 7 не запущений. При падінні цієї напруги нижче допуску, останній запускається і своїм напругою закриває вихід джерела 6.

Конденсаторная матриця 2 в цих режимах грає роль додаткового комутатора тиристорів робочого моста 3 і схема силова набуває функції інвертора, що включає тиристорний міст 3 з транзистором 5, в якому знаходиться навантаження - обмотка генератора 1. Транзисторний ключ 5 комутується в широтно-імпульсному режимі з частотою опорного генератора промислової мережі схеми ФАПЧ 9. в ємнісний матриці 2 в цьому режимі встановлена ​​мінімальна ємність. Транзисторний ключ 1 забезпечує шим-хвилю синусоїдальноїнапруги мережі навіть при повному зникненні енергії поновлюваного джерела 1. Тут в мережу передається енергія джерела постійного струму - акумуляторної батареї 6.

Перехід з одного режиму в інший з даного способу відбувається автоматично. Зменшення частоти переводить силову схему в режим інвертора тієї ж схемою ФАПЧ 9. Завдяки зазначеному, короткочасні провали і перевищення струму генератора 1 стабілізуються даними способом з пропускною здатністю _n не гірше половини частоти мережі _с, тобто _n = 0.5 _с. Таке швидкодія дозволяє мати не дуже велику ємність акумулятора 6. В основному ємність акумулятора 6 буде визначатися часом, необхідним для виходу на режим дизель-генератора 7.

Розглянемо роботу енергетичної системи в трьох режимах:

1. Режим великої потужності.

2. Режим номінальної потужності і нижче.

3. Режим тривалої відсутності потужності поновлюваного джерела.

1. Режим великої потужності.

В цьому режимі акумуляторна батарея 6 відключається від конденсаторних матриць 2. Акумуляторна батарея 6 підключається до зарядного пристрою (на схемі не показано) невеликої потужності, яке живиться від енергетичної мережі. Заряд конденсаторної матриці 2 здійснюється виключно від енергетичної мережі. Розряд її та здійснює мережа, тим самим зайва енергія мережі витрачається на заряд-розряд конденсаторних батарей матриці 2, причому чим більше надлишкова потужність мережі, тим більше буде йти частота мережі від заданої опорним генератором ФАПЧ 9, тим більше вихідна напруга, відфільтроване на виході фазового випрямляча ФАПЧ 9.

Напруга фазового випрямляча ФАПЧ 9 може бути оцифровано, і отриманим кодом управляється конденсаторная матриця 2. Більшості напрузі випрямляча відповідає велика ємність, що підключається до мережі для заряду-розряду. Знак напруги на виході фазового випрямляча ФАПЧ 9 вказує на підключення зарядженої матриці конденсаторів 2 до мережі в фазі або в протифазі напруги.

В даному режимі заряджені конденсатори матриці 2 будуть підключатися в протифазі. В цьому режимі конденсатори грають роль баластної навантаження. Реактивна потужність перезарядження конденсаторів тим більше, чим більше потужність поновлюваного джерела 1 за рахунок збільшення величини ємності батареї, що перезаряджається 1. У цьому сенсі можна розглядати контур LC, утворений індуктивністю генератора 1 і змінної подстраиваемой ємністю 2, як режекторний фільтр, налаштований на частоту генератора, що задає ( частоту промислової мережі). У цьому режимі вся надлишкова енергія джерела відновлюваної енергії 1 витрачається на реактивну потужність в перебудовувати конденсаторі матриці 2.

Конденсаторні батареї матриці 2 складені паралельним з'єднанням ланцюгів, що складаються з послідовного з'єднання конденсатора і двунаправленного ключа (симистора), причому, наприклад, для чотирьох ланцюгів складених із співвідношення 8-4-2-1 маємо 15 ступенів регулювання ємності конденсаторної батареї 2. У цьому сенсі даний спосіб регулювання може бути віднесений до амплітудно-фазокодовой модуляції.

2. Режим номінальної потужності.

В цьому режимі заряд конденсаторних батарей матриці 2 може здійснюватися як від мережі поновлюваного джерела 1, так і від акумуляторної батареї 6, оскільки нестабільний поновлюване джерело 1 в цьому режимі має як провали потужності, так і перевищення.

У разі перевищення потужності спосіб працює так, як в режимі 1. В разі провалів потужності мости 4 і 3 закриваються на час заряду. Тут же відкриваються на заряд двонаправлені ключі і місткість батарея 2 підключається до акумулятора 6. Чим більше провал потужності, тим більше зменшення частоти генератора змінного струму поновлюваного джерела 1, тим більший код на виході схеми ФАПЧ 9, тим більша ємність батареї матриці 2 підключається до акумулятора 6. Велика ємність батареї заряджених конденсаторів матриці 2 підключається до мережі, утворюючи з індуктивністю мережі LC-контур, в який додається енергія з частотою генератора, що задає ФАПЧ 9. Перебудовою конденсатора матриці 2 домагаються резонансу цього контуру на частоті, рівній промислової. В даному режимі LC-контур виконує роль смугового фільтра з коефіцієнтом передачі більше 1. Фактично цю систему в даному режимі можна класифікувати як резонансний активний електронний фільтр. Оскільки він налаштований на частоту промислової мережі, то кратні гармонійні складові напруги мережі будуть значно нижче основної.

Якщо порівнювати таку схему з інвертором, то слід зазначити, що в ній від акумулятора 6 береться лише відсутня частина енергії поновлюваного джерела 1. При повному зникненні струму з джерела 1 схема виконає функцію інвертора.

Якщо її порівнювати з регулюванням змінної напруги за допомогою повороту лопаті, то слід зазначити її значно більшу швидкодію. При цьому ємність акумулятора 6 розраховується з умови не добового споживання, а з умови забезпечення провалів потужності поновлюваного джерела 1, що на два порядки нижче.

3. Режим тривалої відсутності потужності поновлюваного джерела.

У цьому режимі, оскільки викладена система протягом десятків хвилин може працювати від акумулятора 6 і при цьому виконувати роль інвертора, з'являється можливість запустити дизель-генератор 7, підготувати його до синхронного підключення в мережу і живити мережу від дизель-генератора 7.

Запропонований спосіб безперебійного постачання споживачів електроенергетичної системи, що працює на відновлюваних джерелах енергії з електрогенераторами змінного струму, можна порівняти з деякою самонастраивающейся мережею, на яку працюють електрогенератори, у яких фаза між струмом і напругою в усіх режимах підтримується постійною.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Спосіб безперебійного електропостачання споживачів електроенергетичної системи, що працює на нестабільному джерелі енергії, що включає перетворення енергії нестабільного джерела в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенератора змінного струму і накопичення енергії постійного струму в акумуляторі, що відрізняється тим, що стабілізацію частоти напруги мережі здійснюють за допомогою регульованої ємнісний матриці з двонаправленими ключами, номінали конденсаторів якої обрані зі співвідношення 8-4-2-1, якою управляють аналого-цифровий схемою фазочастотной автопідстроювання частоти мережі до частоти опорного генератора промислової частоти, а стабілізацію амплітуди здійснюють за рахунок модуляції напруги мережі широтно-імпульсним модулятором, причому комутацію ємнісний матриці і мережі до джерела постійного струму виконують двома тиристорн ключовими мостами, діагоналі постійного струму яких підключені до акумулятора через транзистор, яким керують широтно-імпульсним модулятором, а діагоналі змінного струму мостів підключені до мережі змінного струму і до ємнісний матриці відповідно.

Версія для друку
Дата публікації 16.02.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів