СПОСОБ ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2004 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 (сеть) без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - ввод токов сигналов на одной частоте при увеличении амплитуды в 2 раза и одновременном снижении потребляемой мощности до 300 Вт.

Известен способ (аналог) ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (сеть), который реализован в генераторе с пассивно-активным способом, при вводе токов сигналов в две фазы сети (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень но электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53), ВИЭСХ, Москва, 1985 г., стр.7).

Недостатками данного генератора являются:
1. Образование 4-х токов вместо двух в сети:

Индексы при токах обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз. Для приема используют только
На "паразитные" токи затрачивают бесполезно мощность.

2. Большая мощность потерь на разряд междуфазного конденсатора на резистор.

Известен также способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, который реализован в генераторе с пассивно-активным способом при вводе токов в три фазы, который принят за прототип (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., рис.3, стр.56).

Данный генератор генерирует два тока что является достоинством по сравнению с аналогом, т.к. в нем не тратят мощность на образование "паразитных" токов , но остались недостатки:
1. Наличие двух токов сигналов что увеличивает полосу частот в два раза занимаемой каналом связи. При передаче токов сигналов, как это выполнено в заявленном техническом решении, полосу частот уменьшают в два раза.

3. Амплитуду тока увеличивают в два раза, при одновременном уменьшении потребляемой мощности до 300 Вт, по сравнению с прототипом, за счет исключения разряда междуфазных конденсаторов на резистор.

На чертеже приведена схема генератора, реализующего предложенное техническое решение.

1. Трансформатор 10/0,4 кВ (трансформатор).

2. Сеть 10 кВ.

3. Сеть 0,4 кВ (сеть).

4. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост).

5. Первая катушка индуктивности (катушка).

6. Первый конденсатор.

7. Вторая катушка, которая индуктивно связана с первой катушкой.

8. Второй конденсатор.

9. Третья катушка.

10. Третий конденсатор.

11. Четвертая катушка, которая индуктивно связана с третьей катушкой.

12. Четвертый конденсатор.

13. Пятая катушка.

14. Пятый конденсатор.

15. Шестая катушка, которая индуктивно связана с пятой катушкой.

16. Шестой конденсатор.

17. Резистор.

18. Управляемый ключ (ключ).

Работает генератор следующим образом:
На информационный вход ключа 18 приходят импульсы управления. Ключ 18 находится в замкнутом состоянии в промежутке времени 0≤t≤T₀/4 - ПАССИВНЫЙ участок, ключ 18 находится в разомкнутом состоянии - АКТИВНЫЙ участок в промежутке времени - T₀/4≤t≤T₀. Ключ 18 коммутируют с частотой сигнала f_o. Между точками 1-2 моста 4 постоянная составляющая трехфазного выпрямленного напряжения равна:

где - амплитуда линейного напряжения.

Пусть потенциал Фазы А выше, чем потенциал Фазы В. Открыты затемненные диоды моста 4. Ключ 18 находится в замкнутом состоянии в промежутке времени 0≤t≤T₀/4. При этом пойдет ток i(t).

Заряда электромагнитной энергией первой 5, третьей 9, пятой 13 катушек по цепи: Фаза А - мост 4 - первая катушка 5, третья катушка 9 - пятая катушка 13 - резистор 17, ключ 18 - мост 4 - Фаза В. Ток i(t) равен:

где R - сопротивление резистора 17, активными сопротивлениями 2 R_тр, 2Rg, 3 R_к пренебрегаем.

L= L₁+L₃+L₅ - сумма индуктивностей соответственно первой 5, третьей 9, пятой 13 катушек, 2 Lтр пренебрегаем;
T₀=1/f_о - период частоты f_о;
2I_m - aмплитyдa тока i(t) в момент времени t=T₀/4.

В момент времени t=T₀/4 ключ 18 размыкают.

Принимаем условие:
L₁=L₂=L₃=L₄=L₅=L₆ (3)
где L₂, L₄, L₆ - индуктивности соответственно второй 7, четвертой 11, шестой 15 катушек.

C₁=C₂=C₃=C₄=C₅=C₆,
где С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆ - емкости соответственно первого 6, второго 8, третьего 10, четвертого 12, пятого 14, шестого 16 конденсаторов.

Первый параллельный колебательный контур (контур 1) образован катушкой 5 и конденсатором 6.

Второй контур (контур 2) образован катушкой 9 и конденсатором 10.

Третий контур (контур 3) образован катушкой 13 и конденсатором 14.

Четвертый последовательный контур (контур 4) образован Фазой А - катушкой 7 - конденсатором 8 - Фазой В.

Пятый последовательный контур (контур 5) образован Фазой В - катушкой 11 - конденсатором 12 - Фазой С.

Шестой последовательный контур (контур 6) образован Фазой С - катушкой 15 - конденсатором 16 - Фазой А.

В связи с тем, что контуры 1, 2, 3, а также контуры 4, 5, 6 имеют одинаковые параметры, рассмотрим совместную работу контуров 1 и 4, т.к. работа 2 и 5, а также 3 и 6 контуров будет идентична.

В момент времени t=T₀/4 ключ 18 размыкают и в контуре 1 возникает ток свободных колебаний i(t) на частоте ω_ов = ω_o, который равен:
i₁(t) = 2I_m•l^-δt•sinω_ot (5)
где l^-δt коэффициент затухания;
R₁ - активное сопротивление катушки 5, ;
Q - добротность катушек 1, 2, 3, 4, 5, 6.

ω_св = ω_o - круговая частота токов сигнала.

Свободные колебания токов происходят за счет накопленной электромагнитной энергии, когда ключ был замкнут. В момент времени t=T₀/4 ключ снова замыкают и процесс повторяют. В связи с тем, что первая 5 и вторая 7 катушки индуктивно связаны, в контуре 4 возникает ток сигнала i₄(t), который равен:
i_н(t) = 2I_ml^-δt•sinω_ot (6)
Этот ток протекает по цепи: Фаза А - катушка 7 - конденсатор 8 - Фаза В. По аналогии в контурах 5 и 6 также возникнут токи сигналов, которые равны:
i₄(t)=i₅(t)=i₆(t) (7)
Эти токи вводят в три Фазы АВ, ВС, СА, которые образуют токи симметричных составляющих прямой последовательности на частоте .

В связи с тем, что Q=20-30 для воздушных катушек, максимальная величина l^-δt не превышает значения 10%, поэтому, для простоты, коэффициентом затухания l^-δt пренебрегаем.

Так же, для упрощения изложения, что не отразится на принципе работы генератора, принимаем, что
ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными первой 5 и второй 7 катушками индуктивности,
ВТОРОЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными третьей 9 и четвертой 11 катушками индуктивности,
ТРЕТИЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными пятой 13 и шестой 15 катушками индуктивности, являются идеальными трансформаторами с коэффициентом трансформации n, для частного случая n=1 и коэффициентом связи, близким к единице (Г.И. Атабеков. Теоретические основы электротехники. Часть I "Энергия". Москва - Ленинград, 1966 г.).

Будем считать, что токи i₄(t), i₅(t) i₆(t) при принятых условиях равны:
i₄(t) = i₅(t) = i₆(t) = 2I_msinω_ot (8)
Причем, величины амплитуд токов, согласно (8), мы приняли для сравнения равными токам, которые вводят в сеть от генератора прототипа.

Ток генератора прототипа i_пр(t) в Фазах АВ, ВС, СА равен:

Это выражение можно записать в другой форме:
i_пр(t)=i_пр1(t)+i_пр2(t), (10)
где

ω₁ = ω_o-Ω;
ω₂ = ω_o+Ω;
Ω = 2πF;
F=50 Гц,
т.е. в сеть вводят два тока .

В связи с тем, что в заявленном генераторе ток вводят в сеть на одной частоте f_о, а в прототипе на двух частотах f₁ и f₂, сравним амплитуду тока в заявленном генераторе из (2), которая равна 2I_m и в прототипе из (11), которые равны для токов i_пр1 и i_пр2-I_m.

Это отношение будет равно 2.

Рассмотрим вопрос разряда конденсатора на резистор в аналоге и прототипе, что одно и то же, но в аналоге приведены исходные данные генератора, которые нам понадобятся для расчетов.

Дано:
1. Емкость разряда конденсатора Ср=8•10^-6 Ф.

На чертеже подключение Ср приведено пунктиром.

2. Сопротивление резистора 17 R=7 Oм.

3. Частота f_c=833 Гц.

Ток разряда конденсатора Сp протекает по цепи: "плюс" конденсатора Cp - резистор 17, ключ 18 - "минус" конденсатора Cp, в промежутке времени 0≤t≤T₀/4. В момент t=0 конденсатор был заряжен до напряжения Е₀. Напряжениями 6, 12 и т.д. гармоник частоты 50 Гц между точками 1-2 пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с напряжением Е_о=512 В. Энергия, рассеиваемая в сопротивлении резистора 17, в течение переходного процесса, равна энергии, запасенной в электрическом поле конденсатора Ср до коммутации, т.е. в промежутке T₀/4≤t≤T₀. Обычно, переходной процесс считают законченным через промежуток времени
t≅(3÷4)τ,
где τ=R•Cp.

Определим время разряда t_p для конденсатора Ср

Определим время разряда t_τ
при τ=4

Сравнивая (12) и (13), можно утверждать, что конденсатор Cp полностью разрядится на резистор 17.

Определим мощность потерь Рп за счет разряда конденсатора Ср на резистор 17 при непрерывной работе генератора
Рп=E₀ ²•Cр•f₀=512²•8•10⁶•833≅1750 Вт (14)
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" - 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-Рп (ДП) будет равна:

Выводы:
1. Амплитуды токов, вводимых в Фазы АВ, ВС, СА, в заявленном генераторе увеличились в два раза по сравнению с прототипом.

2. Полоса частот, занимаемая каналом связи, уменьшилась в два раза по сравнению с прототипом за счет работы на одной частоте f_о, а не на двух частотах f₁ и f₂.

3. Снижена мощность потерь в генераторе на 290 Вт по сравнению с прототипом за счет устранения процесса разряда междуфазных конденсаторов на резистор.

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности. Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть характеризуется тем, что с помощью трансформатора 10/0,4 кВ, трехфазного выпрямительного двухполупериодного моста, резистора и управляемого ключа получают токи в колебательных контурах, образованных с помощью соответствующих катушек индуктивности и конденсаторов, и трансформируют эти токи в трехфазную электрическую сеть. 1 ил.

Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым через резистор и замкнутый управляемый ключ проходит ток i(t) в промежутке времени в промежутке времени управляемый ключ разомкнут, при этом управляемый ключ коммутируют с частотой f_о, отличающийся тем, что в промежутке времени, когда потенциал фазы А выше, чем потенциал фазы В трансформатора 10/0,4 кВ, ток i(t) проходит по цепи: фаза А - трехфазный выпрямительный двухполупериодный мост - соответственно первая, третья, пятая катушки индуктивности - резистор - управляемый ключ - трехфазный выпрямительный двухполупериодный мост - фаза В, в момент времени i(t) равен

в промежутке времени управляемый ключ разомкнут, при этом в первом параллельном колебательном контуре, который образован первой катушкой индуктивности и первым конденсатором, во втором параллельном колебательном контуре, который образован третьей катушкой индуктивности и третьим конденсатором, в третьем параллельном колебательном контуре, который образован пятой катушкой индуктивности и пятым конденсатором, возникнут токи свободных колебаний i_св. на частоте ω_св.=ω_о, которые равны

i_св(t)=i₁(t)=i₂(t)=i₃(t)=2I-δtml

которые трансформируют соответственно: в четвертый последовательный колебательный контур, который образован фазой А - второй катушкой индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности - вторым конденсатором - фазой В, в пятый последовательный колебательный контур, который образован фазой В - четвертой катушкой индуктивности, которая индуктивно связана с третьей катушкой индуктивности - четвертым конденсатором - фазой С, в шестой последовательный колебательный контур, который образован фазой С - шестой катушкой индуктивности, которая индуктивно связана с пятой катушкой индуктивности - шестым конденсатором - фазой А, где получают токи сигналов i_о (t), которые равны

i_о(t)=i₄(t)=i₅(t)=i₆(t)=2I-δtml

трансформируют эти токи в трехфазную электрическую сеть 10 кВ трансформатором 10/0,4 кВ, при этом в трехфазной электрической сети получают токи сигналов симметричных составляющих прямой последовательности на частоте сигнала f_о, которые равны , при этом соответственно первый, второй, третий параллельные колебательные контуры, а также соответственно четвертый, пятый, шестой последовательные колебательные контуры настраивают в резонанс на частоту сигнала f_о, которая равна

при этом индуктивностями обмоток трансформатора 10/0,4 кВ пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой катушек индуктивности,

где

- постоянная составляющая выпрямленного трехфазного линейного напряжения;

- амплитуда линейного напряжения частоты 50 Гц;

- период частоты сигнала f_о;

RΣ _- сумма активных сопротивлений;

RΣ=2R_тр+3R_д+3R_к+R+R_кл;

2R_тр - активные сопротивления обмоток двух фаз трансформатора 10/0,4 кВ;

2R_д - активные сопротивления двух диодов трехфазного выпрямительного двухполупериодного моста;

3R_к - сумма активных сопротивлений первой, третьей, пятой катушек индуктивности;

R - активное сопротивление резистора;

R_кл - активное сопротивление управляемого ключа;

LΣ=2L_тр+3L_к;

2L_тр - сумма индуктивностей обмоток двух фаз трансформатора 10/0,4 кВ;

3L_к - сумма индуктивностей первой, третьей, пятой катушек индуктивностей;

2 I_m - амплитуда тока i(t) в момент времени

l^-δt - коэффициент затухания тока i(t) в промежутке времени

- активное сопротивление первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой катушек индуктивности;

Q - добротность первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой катушек индуктивности;

L_к, С_к - соответственно индуктивности и емкости первого, второго, третьего параллельных колебательных контуров и соответственно четвертого, пятого, шестого последовательных колебательных контуров;

I₁(t), i₂(t), i₃(t) - соответственно токи свободных колебаний в первом, втором, третьем параллельных колебательных контурах;

i₄(t), i₅(t), i₆(t) - соответственно токи сигналов в четвертом пятом, шестом последовательных колебательных контурах;

l - основание натурального логарифма.