ГЕНЕРАТОР С ПАССИВНО-АКТИВНЫМ СПОСОБОМ ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2004 года по МПК H04B3/54 H02J13/00 

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., с.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 подключена к первому выводу первой катушки индуктивности 3, второй вывод которой подключен к первой обкладке первого конденсатора 4 и к катоду и аноду соответственно четвертого 5₄ и первого 5₁ диодов, катоды первого 5₁ и второго 5₂ диодов подключены к первому выводу резистора 6, второй вывод которого подключен к входу сигнального ключа 7, выход которого подключен соответственно к анодам четвертого 5₄ и третьего 5₃ диодов, в него введены третья фаза трансформатора, вторая катушка индуктивности 8, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности 3, второй конденсатор 9, при этом вторая обкладка первого конденсатора 4 подключена к первому выводу первой катушки индуктивности 3, анод и катод соответственно второго 5₂ и третьего 5₃ диодов подключены к "земляной" шине, ("земля") трансформатора, низковольтная обмотка трансформатора Фазы В подключена к первому выводу второй катушки индуктивности 8, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора 9, вторая обкладка которого подключена к низковольтной обмотке трансформатора 1 Фазы С.

Схема генератора с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (генератор) приведена на фиг.1, где:
1. Трансформатор;
2. Сеть;
3. Первая катушка;
4. Первый конденсатор;
5. Диодный мост. 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ соответственно его первый, второй, третий, четвертый диоды;
6. Резистор;
7. Ключ;
8. Вторая катушка;
9. Второй конденсатор.

Работает генератор следующим образом.

1. Рассмотрим работу генератора, выполненного по схеме, как в прототипе. Для этого исключают из схемы (фиг.1) элементы 4, 8, 9, катод третьего 5₃ и анод второго 5₂ диодов подключают не к "земле", а к Фазе В. Подключение показано пунктиром. 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 , через ключ протекают два тока:
1. Ток заряда i(t) электромагнитной энергией первой катушки;
2. Ток разряда 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 протекает по цепи: "плюс" конденсатора 4₁ - первый диод 5₁ - резистор 6 - ключ 7 - третий диод 5₃ - "минус" конденсатора 4₁. Действующее значение напряжения, приложенного к конденсатору 4₁, равно U=380 В. Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т_о, равна:

где Wc - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁ за период T_о;
С - емкость конденсатора 4₁.

При протекании тока разряда конденсатора 4₁, напряжение U_c(t) убывает по экспоненте:

где U_m = 536 В - амплитудное значение;
t - время разряда конденсатора;
l - основание натурального логарифма;
R - сопротивление резистора 6;
τ=R•C.

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
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 аналога (К.И.Гутин, С.А.Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53). ВИЭСХ, М., 1985 г., с.6-16).

Где f_о=833 Гц - частота тока сигнала;
R=8 Oм - сопротивление резистора 6;
С=8•10^-6 Ф - емкость конденсатора 4₁;
L=4,57•10^-3 Гн - индуктивность первой катушки.

Определим время t_pаз (C), принятое для разряда конденсатора 4₁

Определим промежуток времени t_pаз (4τ) разряда конденсатора 4₁ за промежуток времени 4τ:
4τ=4RC=4•8•8•10^-6=2,56•10^-4 c (7)
Сравнивая выражения (6) и (7), можно считать, что конденсатор 4₁ полностью разрядился на резистор 6.

Определим мощность потерь Р_п за счет разряда конденсатора 4₁ на резистор 6 при непрерывной работе генератора
P_п=U²Cf₀=380²•8•10^-6•833=960 Вт (8)
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" принимаем равным, мощность потерь при передаче символов "1" - Р_п ("1") равна:

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 условия, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса КП с ДП, тогда с учетом (9) мощность потерь в генераторе ДП - Р_п(ДП) будет равна:

2. Рассмотрим работу генератора, реализующего заявленное изобретение.

Пусть потенциал Фазы А выше потенциала "Земли", при этом открыты первый 5₁ и третий 5₃ диоды. В момент времени амплитудное значение тока заряда 2I_m согласно (1) равно:

где ;
R=8 Ом;
L₁=4,57•10^-3 Гн;
;
f_o=833 Гц,
т. е. параметры для расчета i₁(t) приняты, как в расчете прототипа по п. 1.

Во время прохождения тока i(t) по низковольтной обмотке трансформатора Фазы А - первой катушке 3 - первому диоду 5₁ - резистору 6 - ключу 7 - третьему диоду 5₃ - "земле" в первой катушке 3 будет накапливаться электромагнитная энергия, которая в момент времени будет равна:

где 2Im=16 А, согласно (11).

В момент времени ключ 7 размыкают и в параллельном контуре L₁С₁ возникнут свободные колебания тока i(t) при
В связи с тем, что первая 3 и вторая 8 катушки индуктивно связаны, в последовательном контуре L₂С₂ также возникнет ток сигнала i_o(t), значение которого определено в (3).

Осцилограмма тока i_o(t) приведена на фиг.2. Выражение (3) можно записать в другом виде

Выражение (13) показывает, что в две Фазы сети В и С вводят два тока на частотах ω₁ и ω₂, т.е.

i_o(f₁) = I_msinω₁t и i_o(f₂) = I_msinω₂t (14)
Таким образом, несмотря на то, что ключ 7 коммутирует с частотой f_o, в линию поступает два тока сигнала на частотах f₁=f_o-F и f₂=f_o+F.

Из описания работы схемы следует, что в заявленном техническом предложении тока разряда первого конденсатора 4 на резистор 6 нет, а значит нет и потерь, которые для конкретного примера в прототипе равны Р_п(ДП)=160 Вт. Также следует отметить, что с увеличением частоты f_о, как это следует из (8), потери увеличиваются прямо пропорционально с увеличением f_о за счет увеличения в единицу времени числа циклов разряда конденсатора 4₁ на резистор 6.

Примечание. Есть в предложенном техническом решении ряд положительных добавочных моментов:
1. Для ключевых генераторов, которые работают при больших напряжениях, практически трудно использовать транзисторы, которые работают с ограниченными токами и не держат импульсивных перегрузок в сотни ампер, поэтому приходится в качестве ключа применять тиристор с принудительным закрытием. Применить в прототипе транзистор на токи хотя бы до 50 А нельзя, т.к. в момент его открытия будет большой бросок тока разряда конденсатора 4₁ на резистор R, который заряжен до 530 В. Этот ток можно ограничить увеличением сопротивления резистора R, но тогда будет мал КПД и полезный ток.

2. В прототипе ключ находится под напряжением 530В , заявленным в раз меньше, т.к. он работает не с линейным напряжением, а с фазным.

3. Учитывая вышесказанное, нам удалось выполнить генератор на транзисторе, причем сопротивление резистора R не 8 Ом, как в примере, а R=0, т.е. практически имеют потери в генераторе только в проводах и элементах схемы.

Выводы. Таким образом, цель, поставленная изобретением, доказана, т.е. снижена мощность потребления.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей (0,4-35) кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Техническим результатом является снижение потребляемой мощности в генераторе. В генераторе с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть введены низковольтная обмотка фазы С трансформатора 10/0,4 кВ, вторая катушка индуктивности, второй конденсатор с соответствующим подключением их в схеме генератора. В результате в генераторе исключена цепь разряда первого конденсатора на резистор, уменьшены потери, стало возможным использование в качестве ключа для ввода тока в сеть транзистора и снижены потери мощности на 160 Вт. 2 ил.

Генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, низковольтная обмотка которого фазы А подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке первого конденсатора и к катоду и аноду соответственно четвертого и первого диодов, катоды первого и второго диодов подключены к первому выводу резистора, второй вывод которого подключен к входу сигнального ключа, выход которого подключен соответственно к анодам четвертого и третьего диодов, отличающийся тем, что в него введены низковольтная обмотка фазы С трансформатора 10/0,4 кВ, вторая катушка индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности, второй конденсатор, при этом вторая обкладка первого конденсатора подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, анод и катод соответственно второго и третьего диодов подключены к "земляной" шине трансформатора 10/0,4 кВ, низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы В подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к низковольтной обмотке трансформатора 10/0,4 кВ фазы С.