ГЕНЕРАТОР ЦАГАРЕЙШВИЛИ С.А. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2006 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 - повышение КПД генератора на 25%.

Известно «Устройство для передачи сигналов по трехфазной линии электропередачи» (А.С. SU №1107750 А, Н 04 В 3/54, 1982 г.) Недостатком известного устройства является отсутствие в цепи сигнального ключа (ключ) ограничивающего сопротивления, которые должны ограничивать ток через ключ, когда он замкнут, если его по каким-то причинам, например во время грозы, не выключили в заданное время, 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). (К.И.Гутин, В.В.Носов, С.А.Цагарейшвили. Распределительные сети электроснабжения как каналы связи информационно-управляющих систем. - Приборы и Системы управления, М., 1995 г., №11, стр.49).

Известен также генератор пассивно-активного типа, 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, М., 2001 г., №2 (5), стр.56). КПД повышен за счет изъятия из схемы генератора ограничивающего резистора и разрядных конденсаторов. Вместо тиристора с принудительным запиранием можно применять транзистор, что повысит надежность работы генератора.

Схема генератора, реализующего заявленное техническое решение, приведена на чертеже, где:

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

2. Сеть 0,4 кВ (сеть).

3. Первая катушка индуктивности (катушка 3).

4. Первый конденсатор (конденсатор 4).

4.1. Конденсатор прототипа, показан пунктиром.

5. Первый диодный мост. Примечание: диоды 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ показаны в схеме диодного моста 5 (мост 5) для описания работы генератора.

6. Резистор прототипа, показан пунктиром.

7. Сигнальный ключ (ключ).

8. 8, 9, 10 - резисторы соответственно первый, второй, третий (резисторы 8, 9, 10).

11. Вторая катушка индуктивности (катушка 11).

12. Второй конденсатор (конденсатор 12).

13. Второй диодный мост (мост 13).

14. Третья катушка индуктивности (катушка 14).

15. Третий конденсатор (конденсатор 15).

16. Третий диодный мост (мост 16).

В связи с тем, что схема генератора, реализующего заявленный способ, состоит из трех одинаковых элементов, образованных катушками 3, 11, 14 - мостов 5, 13, 16 - конденсаторов 4, 12, 15 достаточно рассмотреть работу одного из них, который образован, например, катушкой 3, мостом 5, конденсатором 4, работа остальных двух элементов будет идентична.

В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА между точками T₁ и T₂ (чертеж), которые подключены в сеть по схеме «Фаза»-«Фаза» включен конденсатор 4₁, который заряжается, когда ключ разомкнут. Когда ключ замкнут, этот конденсатор разряжается по цепи: «плюс» конденсатора 4₁, диод 5₁, резистор 6 - ключ - диод 5₃ - «минус» конденсатора 4₁. Для того чтобы не было бросков тока, которые выведут ключ из строя, установлен ограничивающий резистор 6. В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ конденсатора 4₁ нет, поэтому нет и ограничивающего резистора 6. Следует также отметить, что а ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА необходимо применять в качестве ключа тиристор с принудительным закрытием, а в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ можно применять транзистор в связи с отсутствием конденсатора 4₁, который разряжается через ключ.

РАБОТА ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА.

Пусть потенциал Фазы А выше, чем потенциал Фазы В, т.е. открыты диоды моста 5₁ и 5₃. На чертеже они затемнены. На информационный вход ключа пришел импульс открытия ключа длительностью τ. Ключ открылся и через него пошел ток i(t) заряда катушки 3 электромагнитной энергией W.

где L - индуктивность катушки 3; 2I_m - амплитудное значение тока i(t) в момент времени t=τ, при этом значене тока i(t)равно:

где - амплитуда питающего напряжения; R_L - активное сопротивление катушки 3;

где f₀ - частота коммутации ключа; Q=20 - добротность катушки 3.

Ток заряда катушки 3 протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора Фазы А - катушка 3 - диод 5₁ - ключ - диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора Фазы В.

За счет запасенной электромагнитной энергии W в катушке 3 в промежутке времени τ≤t≤T₀ при разомкнутом положении ключа в последовательном колебательном контуре, образованном низковольтной обмоткой трансформатора Фазы А - катушкой 3 - конденсатором 4 - низковольтной обмоткой трансформатора Фазы В, образуют ток свободных колебаний i₀(t)_AB (ток сигнала)

колебательный контур настраивают в резонанс на частоту f₀

Выражение (3) можно записать

Таким образом, несмотря на то, что ключ коммутируют с частотой f₀, в Фазы сети вводят два тока на частотах f₁ и f₂ т.е.

В связи с большой величиной добротности катушки 3 затуханием в последовательном колебательном контуре пренебрегаем, также пренебрегаем индуктивностями обмоток трансформатора и активными сопротивлениями обмоток трансформатора, диодов моста, ключа, в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями катушек и активными сопротивлениями катушек.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ЗАРЯДА 2I_m В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА

Элементы ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА имеют следующие значения:

R_пр=8 Ом - величина резистора прототипа 6 (чертеж);

L_пр=4,57·10^-3 Гн - величина индуктивности зарядной катушки 3 прототипа;

замкнутого положения ключа;

f₀=833 Гц - частота коммутации тиристора;

U_m=536 В - амплитуда питающего напряжения. По аналогии с (2)

имеем

где

R_Σ=R+R_L,пр

R=8 Ом - сопротивление резистора 6 (чертеж);

активное сопротивление катушки 3;

Q=20 - добротность катушки 3;

Решим (6) с учетом (7)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЗАМКНУТОГО СОСТОЯНИЯ КЛЮЧА τ В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ.

Из условия резонанса (4) справедливо

где - амплитуда питающего напряжения; 2I_m - амплитуда тока биения колебаний в момент времени t=τ.

Преобразуем (9) относительно 2I_m

С другой стороны, при замкнутом положении ключа по аналогии с (2) при t=τ имеем

2I_m - амплитуда тока заряда электромагнитной энергии катушки 3 в момент времени t=τ;

R_L - активное сопротивление катушки 3;

L - индуктивность катушки 3,

где

Принимаем Q=20 - добротность катушки 3.

Далее мы покажем, что величина

При условии выполнения (13) приближенно можно считать, что

С учетом (14) выражение (11) примет вид

Приравняем (10)и(15)

Или

Или

Решим (16) относительно τ

где

В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА время открытого состояния ключа равно

В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

которое является ОПТИМАЛЬНОЙ величиной, т.е. имеем

Индекс "пр" обозначает ГЕНЕРАТОР ПРОТОТИПА. Из этого следует, что заряд катушки 3 осуществляют более интенсивно, чем в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА в 1,57 раза, при этом амплитуды токов, как в генераторе прототипа, так и в заявленном генераторе будут одинаковыми и равны 2I_m=26 A согласно (8) Определим индуктивность катушки 3 с учетом (8) и (15), при этом ток в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ будет равен току в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА

Определим емкость конденсатора 4 с учетом (18)

Таким образом, при одинаковых токах в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ 2I_m=26 A, параметры L и C будут разные, что естественно, т.к. время замкнутого состояния ключа а в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

Определим активное сопротивление катушки 3 с учетом (18)

Вычислим значение амплитуды тока 2I_m в заявленном генераторе по аналогии с (8) с учетом (17), (18), (20)

Сравнивая результаты в (8) и (21) мы видим, что они идентичны.

ОПРЕДЕЛИМ КПД В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ И В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА.

Известно, что КПД для всех генераторов с накоплением энергии в катушках индуктивности зависит от величины

Для ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА эта величина равна

где

Для ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА эта величина равна

где

Таким образом, величина (25) отвечает условию

При значении (25), равном 0,05 погрешность формулы (14) не превышает 0,1% (И.Н.Бронштейн. Справочник по математике. М.: Гостехиздат, стр.119).

Определим КПД генераторов из графика функции

(М.С.Нейман. Курс радиопередающих устройств. - М.: Советское радио, 1965, стр.408 рис.4.26).

Для ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА с учетом (23)

Для ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА с учетом (25)

Резисторы 8, 9, 10 установлены для снятия перенапряжений на элементах схемы, которые образуют ключ, в момент его коммутации и отсутствие их в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА также являются одним из его недостатков. Величина этих резисторов равна 500 кОм.

ВЫВОДЫ

Повышен КПД ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА на 25% по сравнению с ГЕНЕРАТОРОМ ПРОТОТИПА, что следует из (28) и (29), за счет снижения времени открытого состояния ключа в 1,56 раза, а также изъятие резистора 6 из ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА, при этом величины токов в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ имеют равные значения, т.е. равны 2I_m=26 A.

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута.

Где

W_пр - максимальная величина запасенной электромагнитной энергии в первой катушке ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА;

R_пр=8 Ом - активное сопротивление резистора 6 ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА;

Q=20 - добротность катушек индуктивности в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

- отрезок времени замкнутого состояния ключа в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА;

L_пр - индуктивность первой катушки в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА;

- период частоты коммутации ключа;

2I_m - амплитудное значение тока i(t) в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ при τ=0,16T₀;

L₁ и C₁ - индуктивность и емкость первой катушки и первого конденсатора в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

ω₁=2πf₁; ω₂=2πf₂; f₁=f₀-F; f₂=f₀+F;

L₂ и С₂ - индуктивность и емкость второй катушки и второго конденсатора в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ, при этом принимают L=L₁=L₂; C=C₁=C₂.

- активное сопротивление катушки 3 в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

Q=20 - добротность катушки 3;

τ=0,16Т₀ - промежуток времени замкнутого состояния ключа в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

W - максимальная величина запасенной электромагнитной энергии катушкой 3 в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

F - частота питающей сети.

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 эффект - повышение КПД на 25% за счет изъятия из схемы ограничивающего резистора, а также за счет выбора оптимальной величины времени закрытого состояния ключа τ=0,16 Т_о, где Т_о - период включения ключа. За счет изъятия из схемы разрядного конденсатора через ключ в заявленном генераторе вместо тиристора с принудительным выключением можно применять транзистор, что обеспечивает технический результат - повышает надежность работы генератора. 1 ил.

Генератор для ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трехфазный 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, низковольтная обмотка Фазы В подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора, низковольтная обмотка Фазы С подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке третьего конденсатора, первый резистор, отличающийся тем, что в него введены второй, третий, резисторы, первый, второй, третий диодные выпрямительные мосты, причем входная диагональ первого диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой первого конденсатора и низковольтной обмоткой Фазы В, входная диагональ второго диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой второго конденсатора и низковольтной обмоткой Фазы С, входная диагональ третьего диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой третьего конденсатора и низковольтной обмоткой фазы А, плюсовые шины выходных диагоналей первого, второго, третьего диодных выпрямительных мостов подключены к входу сигнального ключа, минусовые шины выходных диагоналей первого, второго, третьего диодных выпрямительных мостов подключены к выходу сигнального ключа, вторые обкладки первого, второго, третьего конденсаторов соответственно подключены к низковольтным обмоткам фазы В, фазы С, фазы А, при этом первые выводы первого, второго, третьего резисторов объединены, вторые выводы каждого из которых подключены соответственно к низковольтным обмоткам фаз В, С, А, второй вход сигнального ключа является информационным.