ГЕНЕРАТОР ЦАГАРЕЙШВИЛИ С.А. 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 линий электропередачи 0,4-35 кВ (линия) без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности из сети до 600 Вт.

Известен генератор для ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи (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, Москва, 1985 г., стр.7).

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

Индексы при токах обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз токов сигналов.

Для приема используют только токи
На "паразитные" токи затрачивают бесполезно мощность из сети, где f₁=f₀-F; f₂=f₀+F; f₀ - частота сигнала (коммутации ключа); F=50 Гц - частота напряжения линии электропередачи.

2. За счет разряда конденсатора на резистор затрачивают большую мощность из сети.

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).

Данный генератор генерирует два тока что является достоинством по сравнению с аналогом, но остался крупный недостаток в прототипе - большая мощность потерь в генераторе за счет разряда междуфазных конденсаторов, которые установлены параллельно последовательной цепи, состоящей из резистора и управляемого ключа, при этом максимальное напряжение заряда конденсатора достигает 512 В. В заявленном генераторе конденсаторов, которые установлены параллельно последовательной цепи из резистора и управляемого ключа, нет, а значит, нет и потерь на разряд междуфазных конденсаторов на резистор, что позволило снизить мощность потерь до 600 Вт.

На чертеже приведена схема генератора, реализующего предложенное техническое решение, где 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, 8 - второй конденсатор, 9 - третья катушка, 10 - третий конденсатор, 11 - резистор, 12 - управляемый ключ (ключ), 13 - четвертая катушка, 14 - четвертый конденсатор, 15 - пятая катушка, 16 - пятый конденсатор, 17 - шестая катушка, 18 - шестой конденсатор.

Работает генератор следующим образом.

На информационный вход ключа подают импульсы управления. Ключ замкнут в промежутке времени 0≤t≤T₀/4.

Пассивный участок - ключ разомкнут.

Активный участок в промежутке времени T₀/4≤t≤T₀. Ключ коммутируют с частотой сигнала f₀. Между точками 1-2 моста постоянная составляющая трехфазного выпрямленного напряжения равна

где амплитуда линейного напряжения.

Пусть потенциал фазы А выше, чем потенциал фазы В. Ключ замкнут в промежутке времени 0≤t≤T₀/4. При этом пойдет ток i(t) заряда с электромагнитной энергией катушек 5 и 9 по цепи: фаза А - катушка 5 - мост - резистор - ключ - мост - катушка 9 - фаза В. Ток i(t) в момент времени t=T₀/4 равен:

где R - активное сопротивление резистора;
L_Σ - индуктивность катушек 5 и 9;
T₀=1/f₀ - период частоты f₀;
2I_m - амплитуда тока i(t) в момент времени t=T₀/4.

Принимают условие, что индуктивности 1, 2, 3, 4, 5, 6 катушек равны L_к и емкости С_к 1, 2, 3, 4, 5, 6 конденсаторов равны между собой.

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

Второй параллельный контур (контур 2) образован катушкой 7 и конденсатором 8.

Третий параллельный контур (контур 3) образован катушкой 9 и конденсатором 10.

Четвертый последовательный контур (контур 4) образован фазой С - катушкой 13 - конденсатором 14 - фазой В.

Пятый последовательный контур (контур 5) образован фазой В - катушкой 15 - конденсатором 16 - фазой А.

Шестой последовательный контур (контур 6) образован фазой А - катушкой 17 - конденсатором 18 - фазой С.

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

В момент времени t=T₀/4 ключ размыкают и в контурах 1 и 3 возникают токи свободных колебаний i_св(t) на частоте ω_cв = ω_o, за счет накопленной электромагнитной энергии в катушках 5 и 9, которые равны

где ω₁ = 2πf₁; ω₂ = 2πf₂;
I_m - амплитудное значение токов на частотах ω₁ и ω₂;
f₁=f₀-F; f₂=f₀+F;
F - частота питающего напряжения.

Токи согласно выражению (2) трансформируют в контуры 4 и 6, затем трансформируют при помощи трансформатора в сеть 10 кВ. В сети получают токи сигналов симметричных составляющих обратной последовательности на частоте и прямой последовательности на частоте , при этом контуры 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 настраивают в резонанс на частоту f₀, которая равна

при этом индуктивностями обмоток трансформатора фаз А, В, С пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями L_к. Активными сопротивлениями катушек, активными сопротивлениями диодов моста, активным сопротивлением ключа пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с активным сопротивлением резистора, при этом считают, что первый трансформатор, который образован индуктивно связанными катушками 5 и 13, второй трансформатор, который образован индуктивно связанными катушками 7 и 15, третий трансформатор, который образован индуктивно связанными катушками 9 и 17, являются идеальными трансформаторами с коэффициентом трансформации для частного случая n=1 и коэффициентом связи, близким к единице. (Г.И. Атабеков. Теоретические основы электротехники. Часть 1, М.-Л.: Энергия, 1966 г.)
Рассмотрим вопрос разряда междуфазных конденсаторов в прототипе, на чертеже этот конденсатор обозначен С_р, при следующих исходных данных, которые приведены из реальных схем, работающих в электрических сетях.

Емкость разряда конденсатора С_р= 8•10^-6 Ф (на чертеже подключение С_p приведено пунктиром).

Сопротивление резистора R=7 Ом.

Частота сигнала f₀=833 Гц (частота коммутации ключа).

Ток разряда конденсатора С_р протекает по цепи: "плюс" конденсатора С_р - резистор - ключ - "минус" конденсатора С_р в промежутке времени 0≤t≤T₀/4. В момент времени t=0 конденсатор был заряжен до напряжения 512 B.

Напряжениями шестой, двенадцатой и т.д. гармоник частоты 50 Гц между точками 1-2 моста пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с напряжением E₀=512 B. Энергия, рассеиваемая в сопротивлении резистора, в течение разряда С_p на резистор равна энергии, запасенной в электрическом поле конденсатора С_р до коммутации, т.е. в промежутке времени T₀/4≤t≤T₀. Обычно переходной процесс считают законченным через промежуток времени, равный
t≈(3-4)τ,
где τ=R•C_p.

Определим время, отведенное для разряда t_p конденсатора С_p:

Определим время разряда t_τ при τ = 4:
t_τ = 4τ = 4RC = 4•7•8•10^-6 = 2,24•10^-4 c (4)
Сравнивая выражения (3) и (4), можно утверждать, что конденсатор полностью разрядился на резистор.

Определим мощность потерь P_п за счет разряда конденсатора С_p на резистор при непрерывной работе генератора:
Р_п=E₀ ²C_p•f₀=512²• 8•10^-6•833=1800 Вт. (5)
Учитывая, что генератор работает только при передаче символов "1", a при передаче символов "0" не работает и что в сообщении количество символов "1" и "0" принимают равным, мощность потерь при передаче символов "1" с учетом (5) равна

Следует учесть, что основная нагрузка при 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 (6) мощность потерь в генераторе ДП - Р_п(ДП) будет равна

Выражение (7) получено при передаче сигналов с пассивной паузой, т.е. при передаче символа "0" генератор не работает.

При передаче символа "0" активным способом, т.е. при работе передатчика, мощность потерь Р в генераторе ДП возрастет в два раза и с учетом (7) будет равна
Р=2Р_п(DП)=300•2=600 Вт. (8)
Таким образом, мы доказали, что цель, поставленная изобретением, достигнута, а именно снижена мощность потребления энергии из сети на 600 Вт.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи 0,4-35 кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение мощности потерь в генераторе на 600 Вт по сравнению с прототипом обеспечивается за счет устранения процесса разряда междуфазных конденсаторов на резистор. 1 ил.

Генератор ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, который имеет три фазы А, С, В на стороне 0,4 кВ, к которым подключены соответственно первые выводы первой, второй, третьей катушек индуктивности, вторые выводы каждой из которых подключены соответственно к первому, второму, третьему входам трехфазного выпрямительного двухполупериодного моста, “плюсовая” выходная шина которого подключена к первому выводу резистора, второй вывод которого подключен к входу управляемого ключа, выход которого подключен к выходной “минусовой” шине выпрямительного двухполупериодного моста, первый, второй, третий конденсаторы, отличающийся тем, что в него введены четвертая, пятая, шестая катушки индуктивности, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, при этом первая обкладка четвертого конденсатора подключена к фазе В на стороне 0,4 кВ, вторая обкладка которого подключена к первому выходу четвертой катушки индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности, второй вывод четвертой катушки индуктивности подключен к фазе С на стороне 0,4 кВ, первая обкладка пятого конденсатора подключена к фазе А на стороне 0,4 кВ, вторая обкладка которого подключена к первому выводу пятой катушки индуктивности, которая индуктивно связана со второй катушкой индуктивности, второй вывод пятой катушки индуктивности подключен к фазе В на стороне 0,4 кВ, первая обкладка шестого конденсатора подключена к фазе С на стороне 0,4 кВ, вторая обкладка которого подключена к первому выводу шестой катушки индуктивности, которая индуктивно связана с третьей катушкой индуктивности, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен к фазе А на стороне 0,4 кВ, при этом первый, второй и третий конденсаторы соответственно подключены параллельно к первой, второй и третьей катушкам индуктивности.