ГЕНЕРАТОР С ПАССИВНО-АКТИВНЫМ СПОСОБОМ ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2003 года по МПК H04B3/54 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей (0,4-35 кВ), без обработки их высокочастотными заградителями.

Достигаемый технический результат снижение потребляемой мощности в генераторе.

Известно устройство для передачи сигналов по трехфазной линии электропередачи (патент SU 1107750 А, Н 04 В 3/54, 1982 г.).

Недостатком известного устройства является отсутствие в цепи сигнального ключа (ключ) ограничивающего сопротивления, которое должно ограничивать ток через ключ, когда он замкнут, если его по каким-то причинам не выключили в заданное время, при этом устройство сгорит раньше, чем выйдут из строя предохранители.

Известен также генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигнала в трехфазную электрическую сеть, который принят за прототип (генератор) (С. А. Цагарейшвили, К.И. Гутин. Теоретические основы построения каналообразующего устройства на тональных частотах по электрическим сетям 0,4-35 кВ. Наука и технологии в промышленности, Москва, 2 (5), 2001 г., стр. 55-56).

В известном генераторе установлен ограничивающий резистор, но остался - недостаток большое потребление мощности из сети. Реализация заявленного генератора значительно снижает потребляемую мощность из сети.

Генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть 2, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ 1 трансформатор, низковольтная обмотка которого фазы А соединена с первым выводом катушки индуктивности 3, второй вывод которой соединен с первой обкладкой конденсатора 4 и с катодом и анодом соответственно четвертого 5₄ и первого 5₁ диодов, катоды первого 5₁ и второго 5₂ диодов соединены с первым выводом первого резистора 6, второй вывод которого соединен с входом сигнального ключа 7, выход которого соединен соответственно с анодами четвертого 5₄ и третьего 5₃ диодов, катод третьего 5₃ и анод второго 5₂ диодов соединены с низковольтной обмоткой трансформатора фазы В, в него введены низковольтная обмотка трансформатора фазы С, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 резисторы, при этом низковольтная обмотка трансформатора 1 фазы С соединена со второй обкладкой конденсатора 4, первые выводы второго 8, третьего 9, четвертого 10 резисторов объединены, вторые выводы каждого из которых соединены соответственно с низковольтными обмотками трансформатора 1 фазы А, фазы В, фазы С, пятый резистор 11 соединен параллельно катушке индуктивности 3.

Схема генератора с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (генератор) приведена на фиг.1, где:
1. Трансформатор
2. Сеть
3. Катушка индуктивности (катушка)
4. Конденсатор
5. 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ соответственно первый, второй, третий, четвертый диоды моста 5
6. Первый резистор
7. Ключ
8, 9, 10, 11 - Резисторы соответственно второй, третий, четвертый, пятый.

Работает генератор следующим образом.

1. Рассмотрим работу генератора, выполненного по схеме, как в принятом прототипе. Конденсатор прототипа 4₁ (фиг.1) (показан пунктиром) включен между фазами АВ. Принимаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В. При значении t=0 конденсатор 4₁ заряжен, как это показано на фиг.1. В промежутке времени 0≤t≤T₀/4 ключ замкнут. Через ключ протекают два тока: 1. Ток заряда t₃(t) электромагнитной энергией катушки; 2. Ток разряда i_p(t) конденсатора 4₁ на резистор 6. (Значениями сопротивлений диодов и ключа пренебрегают, в связи с их малостью по сравнению с величиной сопротивления резистора 6). Ток разряда i_p(t) протекает по цепи: "плюс" конденсатора 4₁ диод 5₁ - резистор 6 ключ диод 5₃ "минус" конденсатора 4₁. Действующее значение напряжения, приложенного к конденсатору 4₁ равно U=380 B. Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т₀, равна:
W_c =U²C (5)
где: W_c - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁, за один период Т₀.

U=380 B - действующее значение линейного напряжения в сети.

С - величина емкости конденсатора 4₁.

При протекании тока i_p(t) разряда конденсатора 4₁, напряжение на нем Uс(t) убывает по экспоненте:

где - аплитудное значение,
t - время разряда конденсатора, τ=R•С,
e - основание натурального логарифма,
R - величина сопротивления резистора 6.

Энергия, рассеиваемая в сопротивлении R, в течение всего переходного процесса, равна энергии, запасенной в электрическом поле до коммутации, т.е. в промежутке времени t где: Т₀/4≤t≤Т₀.

Переходный процесс считают законченным через промежуток времени t ≅ (3÷4)τ.

Для расчета величины мощности потерь в прототипе задают конкретные исходные данные, взятые, например, из расчета генератора, схема которого аналогична схеме прототипа (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрофикации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53). ВИЭСХ, М, 1985 г., стр. 6-16).

Где: f_o=833 Гц - частота тока сигнала i_o(t),
Q_к= 20 - добротность катушки, Q_кк=20 - добротность колебательного контура,
R=8 Ом - величина сопротивления резистора 6,
С=8•10^-6 Ф - величина емкости конденсатора 4₁,
L=4,57•10^-3 Гн - величина индуктивности катушки.

Определим время t_разр.(С), принятое для разряда конденсатора 4₁.

.

Определим промежуток времени t_разр(τ) разряда конденсатора 4₁ за промежуток времени 4τ:
4τ=4RC=4•8•8•10^-6=2,56•10^-4 с.

Сравнивая выражения (7) и (8) можно утверждать, что конденсатор 4₁ полностью разрядится на резистор 6.

Определим мощность потерь Р_п, за счет разряда конденсатора 4₁ на резистор 6, при непрерывной работе генератора
P_п=U²C•f₀=380²•8•10^-6•833=960 Вт (9).

Учитывая, что генератор работает только при передаче символов "1", a при передаче символов "0" не работает и что в сообщении количество сигналов "1" и "0" одинаково, мощность потерь при передаче символов "1"-Р_п("1") равна:
P_п("1")=P_п/2≅960/2=480 Вт. (10)
Следует учесть, что основная нагрузка по передаче сигналов приходится на генератор, установленный на диспетчерском пункте (ДП), который ведет циклический опрос состояния электрооборудования, установленного на 1, 2, 3... контролируемых пунктах (КП). Принимают условие, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса с ДП, тогда с учетом (10) мощность потерь в генераторе ДП-Р_п(ДП) будет равна:

2. Рассмотрим работу генератора, реализующего заявленный способ, т.е., когда конденсатор 4 включен между фазами А и С, при условии, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В, т.е. открыты диоды моста 5₁ и 5₃. Выше было отмечено, что при работе генератора, кроме тока разряда i_p(t), протекает ток i₃(t) заряда электромагнитной энергией катушки, который протекает в промежутке времени t, где 0≤t≤T₀/4.

Ток заряда катушки i₃(t) протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушка 3 - диод 5₁ - резистор 6 - ключ-диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора фазы В. Определим максимальную величину этого тока, при t= T₀/4; U=380 B; R=8 Ом; - амплитудное значение; L=4,57•10^-3 Гн; f_o=833 Гц. Следует отметить, что этот ток будет равен амплитудному значению тока биений i_o(t) (фиг. 2), согласно выражения (1), т. е. 2 Im:

где t - время заряда катушки; e - основание натурального логарифма.

Определим действующее значение тока I(f_o) сигнала при непрерывной работе генератора.

I(f₀)=2Im/2≅28/2=14А (13).

Выражение (13) получено при условии, что ток сигнала i_o(t) в промежутке времени t, где 0≤t≤T₀/4 нарастает не по экспоненте (12), a по синусоиде, т. к. это допущение хорошо согласуется с экспериментом.

Определим I(f₁) и I(f₂) - действующие значения токов симметричных составляющих из (4) с учетом (13):


В момент времени t=T₀/4 ключ размыкают и за счет накопленной энергии в катушке (индуктивностью обмоток трансформатора пренебрегают в связи с их малостью, по сравнению с индуктивностью катушки) в колебательном контуре возникнут свободные колебания i_{0свобод.}(t)

где L - индуктивность катушки,
Rк=Rкк - сопротивление резонансного контура,
С - емкость конденсатора 4,
Um - амплитудное напряжение заряда конденсатора в момент времени размыкания ключа
t=T₀/4,


L - индуктивность катушки,
е - основание натурального логарифма.

При этом считают, что колебательный контур настроен на частоту f_o, т.е. частота свободных колебаний f_{свобод.}, равна частоте сигнала f_о.

Свободные колебания возникнут при выполнении условия:

В рассматриваемом случае

т.е. Rк<<48 Ом.

В момент времени t=0 ключ размыкают и рассмотренный выше процесс работы генератора повторяют.

Рассмотрим вопрос разряда конденсатора-4 на сопротивление R-6.

Считаем, что в промежутке времени t, где 0≤t≤T₀/4, как в п.1 потенциал фазы А выше потенциала фазы В, т.е. открыты диоды 5₁ и 5₃ и конденсатор 4 имеет заряды, как показано на фиг.1 (обозначены пунктиром).

В этом случае, для тока разряда конденсатора 4 i(С) имеют два пути прохождения.

Путь 1: "плюс" конденсатора - диод 5₁ - резистор 6, ключ, диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора фазы В - низковольтная обмотка трансформатора фазы С "минус" конденсатора.

Активное сопротивление этой цепи R(путь 1) равно:
R(путь1)=R=8 Ом. (16)
Путь 2: "плюс" конденсатора - катушка - низковольтная обмотка трансформатора фазы А низковольтная обмотка трансформатора фазы С "минус" конденсатора 4.

Активное сопротивление этой цепи R(путь 2) равно: Rк, т.е.

При этом активными сопротивлениями индуктивностей обмоток трансформатора пренебрегают.

Резисторы 8, 9, 10, 11 устанавливают для устранения перенапряжений в обмотках трансформатора и катушки, при коммутации ключа, это являлось еще одним недостатком в аналоге и прототипе.

Сравнивая выражения (16) и (17), можно утверждать, что в генераторе потребляемая мощность, расходуемая на разряд емкости через сопротивление R-6, снижена в К раз:

Определим мощность потерь Rпотерь(ДП)₃ в заявленном генераторе с учетом (11) и (18)

Полученный результат (19) позволяет сделать вывод, что цель, поставленная изобретением, достигнута.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в каналах связи с использованием трехфазных электрических сетей. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности. Генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть содержит трансформатор 10/0,4 кВ, конденсатор, катушку индуктивности, сигнальный ключ, выполненный на четырех диодах, пять резисторов. 3 ил.

Генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, низковольтная обмотка которого фазы А соединена с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с первой обкладкой конденсатора и с катодом и анодом соответственно четвертого и первого диодов, катоды первого и второго диодов соединены с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с входом сигнального ключа, выход которого соединен соответственно с анодами четвертого и третьего диодов, катод третьего и анод второго диодов соединены с низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы В, отличающийся тем, что в него введены низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, второй, третий, четвертый, пятый резисторы, при этом низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы С соединена со второй обкладкой конденсатора, первые выводы второго, третьего, четвертого резисторов объединены, вторые выводы каждого из которых соединены соответственно с низковольтными обмотками трансформатора 10/0,4 кВ, фазы А, Фазы В, фазы С, пятый резистор соединен параллельно катушке индуктивности.