Элементы системы электроснабжения резонансным методом

При проектировании системы электропередачи одним проводом приходится решать множество теоретических и практических проблем, но обоснованному выбору и расчету источника питания (генератора, преобразователя), резонансных трансформаторов, линии электропередачи, выходному преобразователю и др. Рассмотрим их.

Источники питания. В качестве источника питания резонансных трансформаторов Н. Тесла использовал сначала электромашинные генераторы постоянного тока, затем генераторы переменного тока высокой частоты. На рис. 12.6 представлены принципиальные схемы резонансных трансформаторов Тесла.

Первая схема (рис. 12.6, а) состоит из электромашинного генератора постоянного тока Г1, конденсатора С, разрядника Р и повышающего трансформатора, начало вторичной (высоковольтной) обмотки которого заземлено, а конец заканчивается сферой. Тесла использовал генератор постоянного тока, поскольку в начале его деятельности не было генераторов переменного тока высокой частоты и преобразователей частоты. Но генератором постоянного тока нельзя создавать резонанс в контуре C—L (первичная обмотка трансформатора), нужно было переменное напряжение высокой частоты. Для получения его Тесла ввел в резонансный контур C—L разрядник Р. Сопротивление R предотвращает короткое замыкание генератора Г1 на замкнутый разрядник Р.

Рис. 12.6.

Первый вариант резонансного трансформатора Тесла работал так (см. рис. 12.6, а). После замыкания ключа К напряжение на конденсаторе С «медленно» (доли секунд) возрастало до определенной (критической) величины, после которой искровой промежуток разрядника Р пробивался, и через образовавшуюся электрическую дугу конденсатор разряжался на первичную обмотку трансформатора. По истечении доли секунд у разрядника восстанавливался искровой промежуток и повторялся процесс: подъем напряжения на С, пробой Р, разряд С на L, восстановление искрового промежутка Р и т. д., т. е. в контуре создавался резонанс напряжений на резонансной частоте контура /₀ =^. ^^{се это соп}Р^овожД^а‘.

лось «фейерверком»: электромагнитная волна от сферы (проводниковый шар или тороид) «уходила» от нее ветвистыми разрядами в атмосферу. Одновременно от заземленного вывода трансформатора Тесла по Земле распространялись сферические волны тока и напряжения. В точке Земли, противоположной заземлению, волны сходились и отражались обратно к трансформатору Тесла. Возникали круговые стоячие волны на земной поверхности, потому что Земля вела себя как проводящая протяженная разомкнутая линия.

Когда же появились электромашинные генераторы переменного тока повышенной частоты (ЭМГПЧ), отпала необходимость в генераторах постоянного тока и разрядниках. Поэтому второй вариант схемы резонансного трансформатора Тесла выполнялся уже по рис. 12.6, 6.

Н. Тесла умер в 1943 г., а после этого со временем появились мощные тиристоры и транзисторы, на основе которых — статические преобразователи частоты (СПЧ), потеснившие ЭМГПЧ для конструирования резонансных трансформаторов. Между тем СПЧ могут применяться, когда имеется электрическая сеть, поэтому ЭМГПЧ и сегодня можно использовать там, где нет сети. Это геологические и добывающие отрасли, находящиеся вдали от цивилизации, труднодоступные сельские поселения в горах, отгонные пастбища в сельском хозяйстве и др.

Там же, где есть сеть, СПЧ зачастую предпочтительнее ЭМГПЧ по ряду причин. СПЧ могут развивать большие мощности и частоты переменного тока и др. Поэтому рассмотрим СПЧ на тиристорах (триодных) и транзисторах.

С появлением мощных тиристоров (триодных) в 1960;е гг. их стали применять для регулируемых выпрямителей, в качестве тиристорных СПЧ с регулируемыми выходными напряжениями (однои трехфазными) и частотами. При этом такие СПЧ конструировались со звеном постоянного тока, в основном для регулируемых электроприводов и без звена постоянного тока или в виде непосредственных СПЧ.

Схем тиристорных СПЧ довольно много. Они создавались в 1960— 1980;е гг. и были весьма популярными, когда по своим коммутирующим мощностям тиристоры значительно превосходили транзисторы. Принципиальное отличие этих схем от транзисторных заключается в способах коммутации тиристоров, точнее, способах их закрытия узлами коммутации, состоящими из конденсаторов, дросселей, дополнительных тиристоров и диодов. Поэтому схемотехника их сложнее по сравнению с транзисторными, когда преобразуется низкая частота (например, 50 Гц) в повышенную (например, 1 кГц).

С появлением мощных транзисторов (прямые токи до 1—2 кА, обратные напряжения до 3—7 кВ) в 1990;е гг. тиристорные СПЧ, преобразующие низкую частоту в высокую, уступили место транзисторным СПЧ (ТПЧ). Таким образом, в настоящее время в качестве источников питания в резонансных однопроводных линиях электропередачи можно рекомендовать ТПЧ, которые преобразуют низкую частоту в высокую, а приемников — тиристорные непосредственные СПЧ, преобразующие высокую частоту в низкую, т. е. выполняющие роль делителей частоты.

Между тем, при всех достоинствах транзисторных и тиристорных СПЧ, не утратили свою актуальность синхронные и индукторные генераторы. Заметив, что в дальнейшем все источники питания резонансных однопроводных линий электропередачи часто будут называться генераторами, приведем описание одного из таких генераторов, который называется параметрическим резонансным генератором.

Если ввести в переменное магнитное поле, например в поле катушки, массивный проводник, то поле наводит в нем вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко. Эти токи создают собственное магнитное ноле, которое, будучи направлено против первичного поля (в данном случае — поля катушки), ослабляет последнее и уменьшает его энергию. Это вполне естественно, так как вихревые токи выделяют в проводнике тепло PRt, единственным источником которого может служить магнитная энергия катушки. Поэтому вихревые токи, забирая из цепи часть энергии, переходящей в тепло, уменьшают магнитную энергию поля катушки. Однако уменьшение магнитной энергии Э_магн = 0,5/./'- при неизменном токе равносильно уменьшению индуктивности. Таким образом, вихревые токи уменьшают индуктивность резонансного контура.

В данном случае используется не тепловой эффект вихревых токов, а обратное влияние вихревых токов на создающее их магнитное поле, ослабление ими поля. На этой основе строится параметрический резонансный генератор, позволяющий с требуемой частотой периодически изменять индуктивность контура или наоборот — при изменении индуктивности изменять частоту колебания магнитной энергии. Один из вариантов такого генератора состоит из двух групп плоских катушек, по семь в каждой. Они смонтированы на двух параллельных досках по периферии двух параллельных окружностей так, что между обращенными друг к другу сторонами катушек имеет место узкое пространство в виде щели. В эту щель помещается металлический вращающийся диск, имеющий на периферии вырезы в виде зубцов (семь по числу катушек), расположенных таким образом, что при вращении середины зубцов в определенные моменты совпадают с центрами катушек. Таким образом, периодическое изменение индуктивности контура здесь достигается тем, что при вращении диска зубцы попеременно то входят в поле катушек, то выходят из него. В первом случае эффективная индуктивность, очевидно, будет минимальная, а во втором — максимальная.

При вращении диска со скоростью 200 м/с частота изменения индуктивности составляет 2000 Гц, что позволяет получать колебания достаточной мощности.

При настройке генератора, в котором отсутствуют какие-либо явные источники тока или напряжения, с помощью конденсатора на частоту, близкую к половинной частоте изменения индуктивности или равную ей, в схеме возникают мощные колебания с частотой /₀ и напряжением 12—15 кВ. Когда в контур включают катушку со сталью (с ферромагнитным сердечником), то напряжение в машине возрастает только до определенного предела и затем устанавливается. Было построено несколько генераторов не только с переменной индуктивностью, но и с переменной емкостью (конденсатор переменной емкости с вращающимся ротором), которые показали свою работоспособность.

В Ленинградском электрофизическом институте в 1934 г. был создан генератор с переменной индуктивностью мощностью 4 кВт при частоте переменного тока 950 Гц.

Недостатком первых параметрических резонансных генераторов является ограниченная мощность из-за нелинейной зависимости индуктивности катушки со сталью от тока в катушке индуктивности и снижения добротности резонансного контура из-за включения сопротивления нагрузки R_lt в цепь резонансного контура.

В 2015 г. Д. С. Стребковым были предложены шесть новых типов параметрических резонансных генераторов, в которых используют два резонансных контура с гальванической или трансформаторной связью между ними, а сопротивление нагрузки R_u отделено от контура с параметрическим резонансом вставкой постоянного тока и трансформатором Тесла.

На рис. 12.7 изображена упрощенная схема параметрического резонансного генератора с резонансным трансформатором Тесла. Она состоит из преобразователя частоты ПЧ, электродвигателя Дв, вал которого соединен с алюминиевым диском с четырьмя круговыми вырезами, и катушек индуктивностей L. Диаметры вырезов в диске равны диаметрам катушек индуктивности L. Кроме того, в схему генератора входят: резонансный контур LC, трансформатор Тесла ТТ, выпрямитель, инвертор И (если нагрузку необходимо питать переменным напряжением) и нагрузка R_ir Соотношение диаметров диска (на рис. 12.7 справа): D₀: D: d = 7,6: 2,5: 1, где D₀ — внешний диаметр диска.

Рис. 12.7.

Работа генератора основана на питании Дв через ПЧ, вследствие чего Дв вращает диск, скорость которого регулируется ПЧ и подбирается таким образом, чтобы частота / изменения индуктивности L катушек была в два раза выше резонансной частоты/₀ резонансного контура LC:

Электрическая энергия из контура LC передается в контур L, С, с резонансной частотой /₀ через трансформатор Тесла ТТ и затем через выпрямитель и инвертор И к нагрузке /?". Катушки индуктивности L и ТТ имеют незамкнутые сердечники из феррита, что обеспечивает линейные характеристики параметрического резонанса при резонансной частоте до 100 кГц.

Преимущества параметрических резонансных генераторов — простота конструкции, существенная экономия материалов, особенно меди (не нужна тяжелая и дорогая обмотка якоря обычного генератора). Кроме того, особенности рабочих характеристик и повышенная частота (от 500 Гц и выше) позволяют применять эти машины в специальных случаях, например для питания радиостанций и рентгеновских установок, закалки стали, контактной и дуговой электросварки и т. д. Параметрические генераторы обладают еще одним существенным достоинством — они не боятся короткого замыкания.

Параметрический резонансный генератор может работать и как электродвигатель. Если его контур питать переменным током соответствующей частоты, то диск машины будет вращаться с угловой частотой, равной разности частоты питающего тока и собственной частоты колебательного контура. Поэтому, меняя настройку контура, можно плавно изменять скорость вращения двигателя.

Резонансные трансформаторы. Первый резонансный трансформатор был разработан Н. Тесла в 1897 г. и носит его имя. Трансформатор Тесла описывался во всех учебниках по электротехнике до 1936 г., а потом был незаслуженно забыт. Если в обычных трансформаторах потенциалы выводов высоковольтной обмотки одинаковы по величине и противоположны по знаку, то в трансформаторе Тесла начало высоковольтной обмотки имеет нулевой потенциал (узел напряжения) и пучность тока. В четвертьволновом трансформаторе Тесла конец высоковольтной обмотки имеет узел тока и пучность напряжения, равного полному выходному напряжению трансформатора. Во всех трансформаторах Тесла низковольтная обмотка расположена снаружи высоковольтной обмотки.

Поскольку резонансные трансформаторы высокочастотные, их делают в основном воздушными, т. е. без ферромагнитных сердечников. Трансформаторы небольших напряжений и частоты могут быть и с ферритовыми сердечниками. Низковольтные обмотки маловитковые с относительно толстыми проводами (проводами больших сечений), рассчитанными на пропускание больших токов, чтобы обеспечить необходимые проходные мощности. Что касается высоковольтных обмоток, то они делаются из тонких проводов и многовитковыми, чтобы получить высокие напряжения. При этом обмотка может быть намотана одним проводом или секционирована, т. е. состоять из нескольких спиралевидных секций, сечения которых различны для каждой секции и уменьшаются по мере удаления их от начала обмотки.

На рис. 12.8 приведена схема, состоящая из высокочастотного генератора, колебательного контура, повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого состоит из трех секций — Цф Ц₂, Ц₃. При этом начала обмоток трансформатора соединены вместе. Каждая из указанных секций намотана проводами разного сечения и длины. Такой трансформатор выгодно отличается от трансформатора, у которого высоковольтная обмотка выполнена из одного проводника минимального сечения и одной спирали, например секции Ц₃. В трансформаторах с секционированной вторичной обмоткой снижаются потери в обмотках, возрастает добротность и т. д.

Рис. 12.8.

В отличие от рис. 12.5, где вся линия со вторичными обмотками высоковольтных трансформаторов равна / = X / 4, в схеме на рис. 12.8 лишь длина проводника секционированной вторичной обмотки повышающего трансформатора равна также 1 = Х / 4. Поэтому распределение волн напряжения и тока в этой обмотке аналогично распределению их на всей линии на рис. 12.5.

Линии электропередачи. В качестве линий электропередачи в рассматриваемых системах электроснабжения применяют проводниковые материалы и другие проводящие среды. Рассмотрим их.

Воздушные линии. Экспериментально установлено, что сечения проводов, вдоль которых передается электроэнергия, весьма малы (порядка 1—5 мм²), поскольку ток в такой линии замыкается в пространстве, окружающем воздушную линию в виде токов смещения, которые не вызывают в ней потерь мощности в сопротивлении линии. Поэтом}' провода таких линий выбирают не по плотности тока, а из соображений их прочности (в зависимости от ветра, снега, гололеда и др.).

Линии под водой и землей выполняются кабелями особых конструкций, жилы которых надежно изолированы от земли и воды, защищены от токов утечек, экранированы от антенно-фидерного эффекта и др.

Линия из трубопроводов. Передача электроэнергии резонансным методом по трубопроводу реализуется различными способами в зависимости от материала трубопровода, транспортируемого по нему материалу и др.

На рис. 12.9 изображен трубопровод из электроизоляционного материала, по которому транспортируются вода, смесь угля и других твердых, жидких веществ с водой, т. е. электропроводящая среда. Трубопровод снабжен загрузочным 1 и разгрузочным 2 бункерами.

Рис. 12.9.

Схема работает так. Источник электроснабжения 3 через конец вторичной обмотки трансформатора, имеющего контакт с содержимым трубопровода, посылает электроэнергию в трубопровод, являющийся линией, а приемник электроэнергии 4 принимает ее в конце трубопровода.

Для нормальной работы устройства загрузочный бункер 1 должен быть удален от источника электроснабжения 3 (или наоборот) на расстояние l_x = X / 2, а разгрузочный бункер 2 — на /₂ = /Ди + 1) — А, где п - 0, 1, 2, 3,…, А — длина высоковольтной обмотки трансформатора.

Такое исполнение позволяет получить нулевые потенциалы на проводящем канале в местах загрузки и разгрузки транспортируемого вещества, что обеспечивает электробезопасность.

Если транспортирующее вещество является диэлектриком, например нефтепродуктами или природным осушенным газом, то в качестве проводящего канала используют материал трубопровода, если он стальной или чугунный. Если же трубопровод и транспортируемый материал диэлектрики, то на стенки первого наносят электропроводящее покрытие.

Есть и другие способы передачи электроэнергии по трубе, по рельсам для электротранспорта и т. д.