Резонансный преобразователь энергии

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования в различных отраслях промышленности для электроснабжения электротехнических устройств, в частности станочного и сварочного оборудования, систем освещения, электроприводов водозаборных скважин, карьерных экскаваторов, стройплощадок и т.п. объектов. Технические результаты снижение расхода электроэнергии, компенсация просадки напряжения на линиях электропитания,питание электрооборудованием с низким cos. Преобразователь содержит энергетический блок, включающий несколько индуктивно-емкостных колебательных контуров (L1-L2)C1 и L1C1,настроенных в резонанс, один из которых (L1-L2)C1 выполнен закрытым и функционально связан с обмоткой электрической машины. Индуктивно-емкостные цепочки 6, 7, 8 закрытых контуров (L1L2)C1 включены "звездой". В центральную точку "0" звезды объединены свободные концы емкостейC1, а точка "0" их соединения замкнута на собственный переменный потенциал относительно бесконечности с возможностью создания резонанса тока в обмотке нагрузки электрической машины. Вашинко Дмитрий Дмитриевич (BY) Самцов В.П. (BY) 016680 Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования в различных отраслях промышленности для электроснабжения электротехнических устройств, в частности станочного и сварочного оборудования, систем освещения, электроприводов водозаборных скважин, карьерных экскаваторов, стройплощадок и т.п. объектов. Известен асинхронный трехфазный электропривод с питанием от однофазной сети [1]. Электропривод содержит асинхронный двигатель с тремя фазными обмотками, сдвинутыми друг относительно друга на электрический угол 120 и в режиме пуска включенными по схеме "открытый треугольник". Первая обмотка связана через коммутационный аппарат с клеммами для подключения питающей однофазной сети. Конец второй обмотки подключен к началу первой обмотки, конец которой подсоединен к началу третьей обмотки. Фазосдвигающий конденсатор с замыкающим контактом, который подключен между началом второй и концом первой обмоток. Привод содержит размыкающий контакт и электронный фазосдвигающий блок, при этом размыкающий контакт включен между началом второй и концом третьей обмоток двигателя. Электронный фазосдвигающий блок вместе с последовательно включенным с ним замыкающим контактом подключены между началом первой и концом третьей обмоток двигателя. Недостатком технического решения является применение в схеме электронного фазосдвигающего блока в виде тиристорного ключа с естественной коммутацией, что ограничивает мощность применяемых двигателей при питании их от однофазной сети. Известен также способ частотного формирования напряжения от однофазной сети для питания трехфазного асинхронного электродвигателя [2]. Для формирования трехфазного напряжения преобразуют частоту питающего однофазного напряжения путем коммутации токов двигателя в определенной последовательности. При этом в первый полупериод напряжения питающей сети подают к первому выводу двигателя ток одного направления, а к третьему выводу обратного. В следующий полупериод изменяют направление токов, подаваемых к первому и второму выводам двигателя, а в последующий полупериод изменяют направление токов, подаваемых ко второму и третьему выводам двигателя. Далее, операции проводят снова, в той же последовательности, причем частота сформированного трехфазного напряжения составляет 2/3 частоты питающей сети, при этом для реверсирования указанный порядок коммутации меняют на противоположный. Недостатком известного частотного способа формирования напряжения для трехфазного асинхронного электропривода является использование в схеме управления тиристорного силового блока, что ограничивает мощность применяемых электроприводов и снижает эксплуатационную надежность. Известен частотный преобразователь на базе трансформатора для питания электроаппаратуры и трехфазных двигателей от однофазной сети [3]. Преобразователь содержит трехстержневой трансформатор, на крайних стержнях которого размещены две первичные и две вторичные обмотки. Одна из первичных обмоток зашунтирована конденсатором и подключена с другой первичной обмоткой последовательно-встречно к однофазному источнику питания. Вторичные обмотки трансформатора присоединены к трехфазной нагрузке. Две ветви трехфазной нагрузки присоединены между началом и концом каждой из вторичных обмоток, а третья нагрузочная ветвь включена между началом первой вторичной обмотки и концом второй вторичной обмотки, направления намотки которых на стержнях взаимно противоположны. Конец первой вторичной обмотки и начало второй вторичной обмотки объединены. В процессе работы под действием первичного однофазного напряжения и фазоповоротного элемента, образованного конденсатором и одной из первичных обмоток, в первичных обмотках протекают токи, сдвинутые между собой на 120 электрических градусов. Каждый ток в крайних стержнях трехстержневого трансформатора возбуждает соответствующий магнитный поток, которые в среднем стержне геометрически суммируются. Возбужденные магнитные потоки индуктируют во вторичных обмотках, размещенных на крайних стержнях трансформатора, электродвижущие силы с фазовым сдвигом 120. Третью электродвижущую силу получают как вектор, противоположный вектору геометрического сложения двух индуктируемых электродвижущих сил во вторичных обмотках, для чего трехфазную нагрузку соединяют по схеме треугольника и изменяют взаимное направление намотки вторичных обмоток. Недостатком такого преобразователя является низкая надежность из-за весьма вероятного перекоса фаз, что приводит к чрезмерному повышению токов в обмотках электродвигателя и перерасходу потребляемой приводом электроэнергии. Наиболее близок к предлагаемому изобретению энергосберегающий узел для подключения асинхронных двигателей и установок с электроприводом, имеющих длительный цикл работы, который и выбран в качестве прототипа [4]. Энергосберегающий узел содержит энергетический блок, который устанавливают непосредственно перед электрической машиной, например двигателем, и вводят в электрическую схему станка (установки). Энергетический блок включает несколько индуктивно-емкостных колебательных контуров, настроенных в резонанс или околорезонансный режим. Первый индуктивноемкостной контур выполнен закрытым и уменьшает влияние энергоблока на работу электрической схемы станка (установки). Последний колебательный контур выполнен "открытым" и представляет собой часть электродвигателя, т.е. его индуктивностью является непосредственно обмотка электрической машины. Количество колебательных контуров зависит от требуемой цели. Предлагаемая конструкция по-1 016680 зволяет снижать потребляемую двигателем электроэнергию на 20-45% без потери его мощности. Недостатком такой конструкции энергосберегающего узла является сложность настройки в резонансный режим при изменяющейся внешней нагрузке на электропривод, что приводит к перегреву электродвигателей и снижению эффективности устройства в целом. Целями изобретения являются устранение указанных недостатков и снижение расхода электроэнергии, компенсация просадки напряжения на линиях электропитания, питание электрооборудованием с низким cos. Поставленные цели достигаются тем, что резонансный преобразователь энергии, содержащий энергетический блок, включающий несколько индуктивно-емкостных колебательных контуров, настроенных в резонанс, по меньшей мере один из которых выполнен закрытым и функционально связан с обмоткой электрической машины, согласно изобретению, индуктивно-емкостные цепочки закрытых контуров включены "звездой", при этом в центральную точку "звезды" объединены свободные концы емкостей, а точка их соединения замкнута на собственный переменный потенциал относительно бесконечности с возможностью создания резонанса тока в обмотке индуктивной нагрузки электрической машины. Частью индуктивно-емкостной цепочки индуктивной нагрузки электрической машины выступает,например, обмотка асинхронного двигателя или подобная индуктивность иной трехфазной электрической машины. Асинхронный двигатель соединяют по схеме "мотор-генератор", одна из обмоток которого зашунтирована конденсатором, и используют как вращающийся трансформатор для преобразования однофазного напряжения в трехфазное путем расщепления фазы тока под действием магнитного потока заданной формы и преобразования однофазного напряжения в трехфазное. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 - принципиальная блок-схема резонансного преобразователя; на фиг. 2 - схема соединения индуктивно-емкостных цепочек в "звезду". Преобразователь содержит блок управления 1, функционально связанный с резонатором 2 фазометром 5, коммутатор 3, электрически связанный с нагрузкой "H" (на чертеже не показано), вращающийся трансформатор 4, подключаемый к однофазной сети. Резонатор 2 (фиг. 2) включает группу по меньшей мере из трех отдельных индуктивно-емкостных цепочек 6, 7, 8, каждая из которых состоит из закрытого(L1-L2)C1 контура и связанного с ним открытого L1C1 контура. Резонансный преобразователь энергии работает следующим образом. Преобразователь собирают в соответствии с принципиальной блок-схемой и устанавливают на объекте электропитания удаленных потребителей, например подъемных механизмах с асинхронными электрическими двигателями (на чертеже не показано). При этом индуктивно-емкостные цепочки 6, 7, 8 резонатора 2 подсоединяют к фазным выводам нагрузки "Н" по схеме: начало катушки индуктивности L1 соединяют с концом катушки индуктивности L2, а их общий вывод - с началом индуктивных обмоток фазных выводов (фаза 1, 2, 3) нагрузки"Н"; между концом катушки индуктивности L1 и началом катушки индуктивности L2 подсоединяют емкость C1 с образованием закрытого (L1-L2)C1 контура и электрически связанного с ним открытого L1C1 контура; точки соединения емкости C1 с началом катушки индуктивности L2 закрытых контуров индуктивно-емкостных цепочек 6, 7, 8 соединяют по схеме "звезда" в одну центральную точку "0", при этом точку соединения "0" выводов емкостей C1 закрытых (L1-L2)C1 контуров оставляют свободно-замкнутой на собственный переменный потенциал относительно бесконечности . Далее вращающийся трансформатор 3 преобразователя, в качестве которого использован асинхронный двигатель, соединенный по схеме "мотор-генератор", одна из обмоток которого зашунтирована конденсатором (на чертеже не показано), подключают к выводам "0" и "f" однофазной сети переменного тока и после выхода его на номинальную скорость вращения преобразуют однофазное напряжение в трехфазное путем расщепления фазы тока под действием магнитного потока заданной формы. Коммутатором 4 выбирают рабочую шкалу напряжений 127/220/380 В, соединяют с "нагрузкой" и включают резонатор 2, который выводит систему преобразователь - "нагрузка" на резонансный режим. Блоком управления 1 контролируют посредством фазометра 5 режим работы резонатора 2. Резонансный режим обеспечивают в процессе настройки преобразователя текущими параметрами добротности контуров L1C1 и (L1-L2)C1. Вследствие того что центральная точка "0" выводов емкостей C1 закрытых (L1-L2)C1 контуров свободно замкнута на собственный переменный потенциал относительно бесконечности , к контурам L1C1 фактически подключается дополнительная емкость на бесконечность C, благодаря чему осуществляется автоматическая подстройка резонансного режима рабочей системы при изменении режима работы нагрузки. При этом реализуется параллельный резонанс токов, при котором токи замыкаются в параллельном (L1-L2)C1 контуре и могут в десятки раз превышать ток в подводящих проводах, а сдвиг фаз между током и напряжением в цепи нагрузки равен нулю, и цепь имеет только активное сопротивление, таким образом, осуществляется компенсация потерь на реактивном сопротивлении цепи и преобразование энергии в активную мощность. Контроль работы преобразователя осуществляют путем обмена текущей информацией между блоком управления 1 и резонатором 2. Отсутствие в схеме тиристорного блока по сравнению с аналогами существенно повышает устой-2 016680 чивость преобразователя к перегрузкам, надежность и долговечность. В отличие от прототипа выполнение закрытых (L1-L2)C1 контуров свободно замкнутыми на собственный переменный потенциал относительно бесконечности , при выбранной схеме подключения,равноценно введению в схему дополнительной емкости на бесконечность C, что обеспечивает эффективное преобразование энергии, связанной с реактивной мощностью, и удержание резонансного режима при временных перегрузках в сети. Реализация эффекта преобразования энергии является следствием появления дополнительной разности потенциалов на концах разомкнутого провода (нулевая "0" точка со свободными концами емкости C1), охватывающего соленоид (индуктивность L1), которая определяется разной плотностью электронов на свободных концах провода, при этом поле E не является вихревым индукционным, а представляет собой поле, созданное реальными зарядами на концах провода [5]. Опытно-промышленные испытания показали высокую эффективность изобретения, так, потребляемый ток системой, оснащенной резонансным преобразователем энергии, снижается в 3-4 раза при напряжении питания 220/220/230 В, а ток холостого хода не превышает 0,1 A. Разработаны преобразователи для потребителей с индуктивной нагрузкой и низким коэффициентом полезного действия модельного ряда от 1 до 15 кВт, которые весьма эффективно используются в условиях эксплуатации систем с асинхронными двигателями в режиме недогрузки - в подъемных механизмах, электроприводов водозаборных скважин и т.д., характеризующихся, как правило, низким коэффициентом полезного действия, при этомcos системы повышается до единицы. Резонансный преобразователь позволяет существенно сгладить скачки напряжения в сети питания удаленных потребителей при работе сварочных аппаратов на стройплощадках и других подобных объектах. Источники информации. 1. RU2054788, 20.02.1996 г. 2. RU2017318, 30.07.1994 г. 3. RU2122255, 20.11.1998 г. 4. Мазеть С.Г. "Давайте сэкономим электроэнергию", Ежемесячный научно-практический журнал"Изобретатель",4 (16), 2001, с. 5 (прототип). 5. Будущее открывается квантовым ключом. Сб. статей академика Р.Ф. Авраменко, М., "Химия",2000 г., с. 133, 134. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Резонансный преобразователь энергии, содержащий резонатор, включающий группу по меньшей мере из трех отдельных индуктивно-емкостных цепочек, каждая из которых состоит из закрытого контура и связанного с ним открытого контура, функционально связанные с резонатором блок управления,вращающийся трансформатор, коммутатор и фазометр, при этом индуктивно-емкостные цепочки закрытых контуров включены "звездой", а в центральную точку "звезды" объединены одни из концов емкостей индуктивно-емкостных контуров, причем точка их соединения замкнута на собственный переменный потенциал относительно бесконечности с возможностью создания резонанса тока в обмотке нагрузки электрической машины. 2. Резонансный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержит в качестве индуктивноемкостной цепочки индуктивной нагрузки обмотку электрической машины, например обмотку асинхронного двигателя или подобную индуктивность иной трехфазной электрической машины. 3. Резонансный преобразователь энергии по п.2, отличающийся тем, что в качестве вращающегося трансформатора содержит одну из обмоток асинхронного двигателя, которая зашунтирована конденсатором, при этом асинхронный двигатель соединен по схеме "мотор-генератор" с возможностью преобразования однофазного напряжения в трехфазное путем расщепления фазы тока под действием магнитного потока заданной формы.