СПОСОБ ЦАГАРЕЙШВИЛИ С.А. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2007 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 - повышение кпд генератора на 25%, который реализует заявленный способ.

Известно "Устройство для передачи сигналов по трехфазной линии электропередачи", которое реализует известный способ (А.С. SU №1107750 А, Н 04 В 3/54, 1982 г.). Недостатком известного устройства является отсутствие в цепи сигнального ключа (ключ), ограничивающего резистора, который должен ограничивать ток через ключ, когда он замкнут, если его, по каким-то причинам не выключили, например, во время грозы, в заданный момент времени, при этом устройство сгорит раньше, чем выйдут из строя предохранители.

Известен также пассивно-активный способ образования тока сигнала, принятый за ПРОТОТИП, который реализован в генераторе пассивно-активного типа (генератор) (К.И.Гутин, В.В.Носов, С.А.Цагарейшвили. Распределительные сети электроснабжения как каналы связи информационно-управляющих систем. Приборы и Системы управления, Москва, №11, 1995 г., стр.49.) имеется недостаток - низкий кпд генератора. Предложенный способ повышает кпд генератора, реализующий заявленный способ на 25%.

Еще одно отличие от генератора прототипа. В генераторе прототипа выпрямительный мост включен на линейное напряжение 380 В, а в заявленном генераторе - на фазное напряжение 220 В при одном и том же токе, который вводят в Фазы ВС сети, что существенно упрощает конструкцию генератора. Следует также отметить, что в генераторе прототипа необходимо применять в качестве ключа тиристор с принудительным запиранием, а в заявленном генераторе можно применять транзистор в связи с отсутствием разрядного конденсатора. В прототипе время замкнутого положения ключа а в заявленном генераторе - которое является оптимальной величиной.

Схема генератора, реализующего предложенный способ, приведена на Фиг.1, где

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

2. Трехфазная электрическая сеть (сеть).

3. Первая катушка индуктивности (катушка 3).

4. Первый конденсатор (конденсатор 4).

4.1. Конденсатор прототипа (показан пунктиром).

5. Диодный мост. 5₁, 5₂, 5₃, 5₄, соответственно его первый, второй, третий, четвертый диоды.

6. Резистор прототипа показан пунктиром.

7. Сигнальный ключ (ключ).

8. Вторая катушка индуктивности (катушка 8).

9. Второй конденсатор (конденсатор 9).

10.Трансформатор воздушный - идеальный, с коэффициентом трансформации К_т=1 и коэффициентом связи К_с=1 (Трансформатор воздушный).

В генераторе прототипа между точками T₁ и Т₂ Фиг.1, которые подключены в сеть по схеме "Фаза"-"Фаза", включен конденсатор 4₁, который зарежается, когда ключ разомкнут. Когда ключ замкнут, этот конденсатор разрежается 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 Фиг.1 конденсатора 4₁ нет, поэтому нет и ограничивающего резистора 6.

Еще одно положительное отличие от генератора прототипа. В генераторе прототипа мост 5 включен на линейное напряжение 380 В, а в заявленном генераторе мост 5 включен на фазное напряжение 220 В при одном и том же токе, который вводят в фазы ВС сети, что существенно упрощает конструкцию генератора.

Следует также отметить, что в генераторе прототипа необходимо применять в качестве ключа тиристор с принудительным запиранием, а в заявленном генераторе можно применять транзистор в связи с отсутствием конденсатора 4₁.

РАБОТА ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА

Пусть потенциал Фазы А будет выше, чем потенциал "Земля" В заявленном генераторе.

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

2I_m - амплитудное значение тока i(t) в момент времени t=τ, при этом значение тока i(t) равно:

где - амплитуда фазного питающего напряжения В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ, R_α - активное сопротивление катушек 3 и 8, α - индуктивность катушек 3 и 8. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР, образованный катушкой 3 и конденсатором 4, а также ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР, образованный низковольтной обмоткой трансформатора Фазы В - катушкой 8 - конденсатором 9 - низковольтной обмоткой трансформатора Фазы С, настраивают в резонанс на частоту коммутации ключа f₀:

при этом катушки 3 и 8 магнитосвязаны между собой и образуют идеальный трансформатор 10 с коэффициентом трансформации К_т=1 и коэффициентом связи К_с=1,

где С=C₁=С₂ - емкости конденсаторов 4 и 9.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЗАМКНУТОГО СОСТОЯНИЯ КЛЮЧА τ.

Из условия резонанса (3) справедливо:

где

2I_m - амплитуда тока биения колебаний в момент времени t=τ Фиг.2.

Преобразуем (4) относительно 2I_m:

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

где 2I_m - амплитуда тока заряда электромагнитной энергией катушки 3 в момент времени t=τ. R_α - активное сопротивление катушек 3 и 8; L - индуктивность катушек 3 и 8,

где

Принимаем Q=20 - добротность катушек 3 и 8.

Далее мы покажем, что величина

При условии выполнения (8) приближенно можно считать, что

С учетом (9) выражение (6) примет вид:

Приравняем (5) и (10)

Решим (11) относительно τ:

В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА время открытого состояния ключа

В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ согласно (12), 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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ЗАРЯДА 2I_m в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА

Элементы ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА имеют следующие значения, которые встречаются на практике: R=80 м - величина резистора прототипа 6 (Фиг.1); α_пр=4,57·10^-3 Гн - величина индуктивности зарядной катушки 3 прототипа; - время замкнутого положения ключа; f₀=833_гу - частота коммутации ключа; - амплитуда питающего линейного напряжения.

Определим значение ТОКА ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА 2I_m в момент времени

Значениями индуктивностей обмоток трансформатора и активных сопротивлений обмоток трансформатора, диодов, ключа пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями и сопротивлениями катушек 3 и 8.

где R_∑=R+R_αпр - активное сопротивление зарядной цепи; R=80 m - сопротивление резистора 6 (Фиг.1),

- активное сопротивление катушек 3 и 8;

Решим (13) с учетом (14)

Определим индуктивность катушек 3 и 8 с учетом (10) и (15), при этом ток В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ будет равен току В ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА:

где - для ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА

Определим емкости конденсаторов 4 и 9 в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ с учетом (16)

Таким образом, при одинаковых токах в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ 2I_m=26 A параметры L и С будут разные, что естественно, т.к. время замкнутого состояния ключа , а в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ а также U_m·пр=539 В, а U_m=310 B В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ.

Во время прохождения тока i(t) по цепи низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушке 3 - диоду 5₁ - ключу - диоду 5₃ -"Земля" в ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ будут протекать токи сигнала, т.к. катушки 3 и 8 магнитосвязаны через воздушный трансформатор 10.

Осцилограмма тока i₀(t), приведена на Фиг.2

Выражение (18) показывает, что в две фазы сети В и С вводят два тока на частотах w₁ и w₂, т.е. i₀(f₁)=I_msinw₁t и i₀(f₂)=I_msinw₂t

Таким образом, несмотря на то, что ключ коммутирует с частотой f_c, в линию поступает два тока сигнала на частотах f₁=f₀-F и f₂=f₀+F,

где F=50 Гц частота питающего напряжения

w₁=2πf₁; w₂=2πf₂

Токи, которые математически выражены согласно (18), называют биениями колебаний.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР образован низковольтной обмоткой трансформатора фазы В - катушкой 8 - конденсатором 9 - низковольтной обмоткой трансформатора фазы С.

За счет запасенной электромагнитной энергии W в катушке 3, в ПАРАЛЛЕЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ, образованном катушкой 3 и конденсатором 4 в промежутке времени , при разомкнутом положении ключа, образуют ток свободных колебаний i(t)_св на частоте W_св=W₀=2πf₀, который равен

при этом в трехфазную линию электропередачи вводят токи сигнала i₀(t) в низковольтные обмотки трансформатора 1, которые равны

через ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР,

где

С учетом (7) и (16) определим в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ R_α

С учетом (12), (16) и (21) определим коэффициент затухания l^-δt в (19)

Из выражения (22) следует, что ток в катушке 3, в момент времени следующего открытия ключа, снизится за счет потерь на 12%.

Вычислим значение амплитуды тока 2I_m в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ по аналогии с (15) с учетом (12), (16), (21)

Сравнивая полученный результат с результатом в (15), делаем вывод, что токи в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ равны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД В ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ И ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА

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

Для ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА эта величина равна:

где R_∑=9,20 M; τ_пр=0,25·T₀, α_пр=4,57·10^-3 Гн.

Для ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА эта величина равна

где R_L=0,60 м; τ=0,16·Т₀; α=2,29·10^-3 Гн.

Таким образом, величина (25) по сравнению с единицей имеет значение

При значении (25), равном 0,05, погрешность формулы (9) в приближенном вычислении не превышает 0,1%, что допустимо. (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 (24) имеем

Для ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА с учетом (25) имеем

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 1,57 раза, а также изъятия резистора 6 из прототипа, при этом величины токов в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА и ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ имеют равные значения, т.е. равны 2I_m=26 А.

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута.

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

R - активное сопротивление резистора 6 ПРОТОТИПА (Фиг.1.);

- активное сопротивление первой катушки ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА;

Q=20 - добротность первой катушки индуктивности ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА и ЗАЯВЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА.

- отрезок времени замкнутого состояния ключа в ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОТИПА; α_пр - индуктивность первой катушки ГЕНЕРАТОРА ПРОТОТИПА; - период частоты коммутации ключа; - амплитудное значение фазного промышленного напряжения частоты F=50 Гц в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ; 2I_m - амплитудное значение тока i(t) при τ=0,16·T₀; α₁ - индуктивность первой катушки индуктивности в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ; C₁ - емкость первого конденсатора в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ.

W₁=2πf₁; W₂=2πf₂; f₁=f₀-F; f₂=f₀+F.

α₂ - индуктивность второй катушки индуктивности в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ, С₂ - емкость второго конденсатора в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

α=α₁=α₂; C=C₁=C₂,

- активное сопротивление катушек 3 и 8 в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ; Q=20 - добротность первой и второй катушек в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ; τ=0,16·Т₀ - промежуток времени замкнутого состояния ключа в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

W - максимальная величина запасенной электромагнитной энергии в катушке 3 в ЗАЯВЛЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ.

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, реализующего заявленный способ, на 25%. Данный генератор отличается тем, что время замкнутого положения ключа определено как оптимальное и равно где Т_о - период следования сигналов. кпд генератора повышено за счет того, что в схеме отсутствуют разрядный конденсатор и ограничивающий резистор. В связи с этим, в качестве ключа используют транзистор вместо тиристора с принудительным закрытием, что значительно упростило коммутационную часть генератора и повысило надежность его работы. Генератор прототипа включен на линейное напряжение 380 В, а заявленный генератор - на фазное напряжение, что повышает его надежность. 1 ил.

Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым коммутируют сигнальный ключ с частотой f_o, при замкнутом положении сигнального ключа накапливают электромагнитную энергию в первой катушке индуктивности за счет протекания через нее тока i(t), отличающийся тем, что электромагнитную энергию при замкнутом положении сигнального ключа накапливают в первой катушке индуктивности на участке времени t₁

(То=1/f_o),

при этом указанный ток протекает по цепи низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы А - соответствующий диод диодного моста - сигнальный ключ - соответствующий диод диодного моста - "земляная шина" трансформатора 10/0,4 кВ при разомкнутом положении сигнального ключа на участке времени t

создают свободные колебания тока за счет накопленной электромагнитной энергии в первой катушке индуктивности на частоте ω_св=ω_о в параллельном колебательном контуре, образованном первой катушкой индуктивности и первым конденсатором, для чего указанный контур настраивают в резонанс на частоту f_o

где L₁ - индуктивность первой катушки индуктивности;

C₁ - емкость первого конденсатора,

при этом создают в последовательном колебательном контуре, образованном низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы В - второй катушкой индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности, - вторым конденсатором - низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, ток сигнала i_o(t), который представляет собой биения колебаний

который вводят в трехфазную электрическую сеть через фазы В и С, указанный последовательный колебательный контур настраивают в резонанс на частоту f_o

где L₂ - индуктивность второй катушки индуктивности;

С₂ - емкость второго конденсатора, при этом принимают L₁=L₂; C₁=C₂;

- период частоты f_o, ω₁=2πf₁; ω₂=2πf₂; f₁=f_o-F; f₂=f_o+F;

F - частота питающего напряжения трехфазной электрической сети.