Примеры применения резонансных методов электроснабжения осветительной и смешанной нагрузок

Системы электроосвещения. ВИЭСХом исследованы и разработаны не только многочисленные системы передачи электроэнергии резонансным методом, но и интенсивно проводятся работы по созданию источников питания на основе полупроводниковых приборов, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую, — фотопреобразователи.

В ВИЭСХе изготовляют СЭ и батареи из них (СБ), являющиеся источниками электроэнергии. Более того, используя СБ и светильники из светоизлучающих диодов (СИД) собственного изготовления, в ВИЭСХе, на основе резонансных однопроводных линий, созданы многочисленные системы электрического освещения. Рассмотрим некоторые из них.

На рис. 12.11 приведена схема подключения СИД-светильников к однопроводной линии, которая работает так. Солнечная (СБ) и аккумуляторная (ЛБ) батареи подают постоянное напряжение на инвертор И, который инвертирует его в переменное высокой частоты и подает на первый резонансный контур и через повышающий трансформатор — на светильники, имеющие естественную емкость, благодаря которой осуществляется их свечение. Диод VD препятствует разряду АБ, а подзарядное устройство ПУ подзаряжает его. Конденсатор С_р является разделительным.

Рис. 12.11

В ВИЭСХе разработаны различные варианты схем СИД-светилышков. Наиболее экономичными и надежными осветительными приборами являются светильники с полупроводниковыми сверхяркими светодиодами, которые имеют КПД до 75% и срок службы до 10 тыс. ч. Экспериментально подтверждено, что светодиодные светильники обладают свойством работать от однопроводной линии, используя при этом положительные и отрицательные полуволны реактивного тока однопроводной линии.

Разработана также система освещения однопроводной линией светильников из люминесцентных ламп типа ЛДЦ-20 и др.

Системы электроосвещений ВИЭСХ использовались для дорожного освещения на озере Селигер, поэтому дадим их технические данные: источники света — ЛДЦ-20, количество ламп в светильнике — 3 шт., количество светильников — 10 шт., высота подвеса — 4 м; источник питания — СПЧ с входным и выходным напряжениями соответственно 220 и 970 В, выходной частотой 3,5 кГц и КПД 0,8; однопроводная линия — длина 140 м, сечение 1 мм² (провод марки ПВВ 1), высота опор — 5 м.

Система со смешанной нагрузкой. В ВИЭСХе разработана, испытана в лабораторных и производственных условиях (Тюменская область, ООО «Сургутгазпром») резонансная однопроводная электрическая система (РОЭС) электроснабжения мощностью 20 кВт, которая схематически изображена на рис. 12.12.

Рис. 12.12

На входе стоит ПЧ, который передает напряжение высокой частоты в резонансный контур с конденсатором С и первичной обмоткой повышающего трансформатора (I), который через изолятор 1 передает высокое напряжение в линию 2. Конец линии через изолятор 1 передает напряжение на высоковольтную обмотку понижающего трансформатора и на приемный контур. После контура напряжение выпрямляется, инвертируется и подается на смешанную нагрузку суммарной мощностью 20 кВт.

Приведем некоторые технические данные РОЭС:

1) в качестве ПЧ использован тиристорный СПЧ мощностью 25 кВт с входными напряжением 380 / 220 В, частотой 50 Гц и выходными напряжением 400 В, частотой 2,5—7 кГц;
2) в качестве однопроводной линии 2 использовались три варианта медных проводников: сечениями — порядка 1 мм², длиной от 6 м до 1,2 км, которые были воздушными и проложенными в земле. Напряжение на линии 6,8 кВ, частота 3,4 кГц;
3) в качестве нагрузки использовали: асинхронные двигатели мощностями от 0,18 до 15 кВт, калорифер мощностью 12 кВт и осветительную нагрузку мощностью до 24 кВт, которые подключались к инвертору в различных сочетаниях.

Результаты испытаний показали, что однопроводная линия может передавать относительно большую мощность без существенных потерь на сопротивлении линии, а значит — с помощью провода весьма малого сечения.

Объяснение этому следующее. В одиночном медном проводнике, который является частью волноводной резонансной системы, отсутствует активный ток проводимости и, следовательно, отсутствуют физические ограничения традиционной теории и техники передачи электроэнергии.

В разомкнутой линии распределение переменного возбуждающего электрического поля отличается от распределения величины тока. На поверхности проводника индуцируются электрические заряды, которые создают кулоново электрическое поле. Потенциальное поле обеспечивает перенос зарядов между точками поверхности проводника и тока в проводнике. Поверхностные заряды изменяются во времени и создают в пространстве, окружающем проводник, ток смещения, который замыкается в проводнике, возбуждаемом напряженностью кулонова электрического поля. Токи смещения, в отличие от токов проводимости, не сопровождаются выделением джоулева тепла. В полуволновых линиях в середине линий имеется узел реактивного тока, поэтому джоулевы потери незначительные. Этим объясняется возможность передачи значительной активной мощности с помощью реактивных токов по тонкому проводнику без заметных потерь.

Результаты испытаний показали, что: а) совпадение расчетных и экспериментальных данных высокое; б) однопроводная линия может передавать активную мощность с помощью реактивных токов без существенных потерь на сопротивление линии, а значит с помощью провода весьма малого сечения.