СПОСОБ ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЛИНИЮ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2007 года по МПК H04B3/54 

Изобретение относится к электротехнике 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 - повышение КПД генератора, устранение «паразитных» токов на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц при работе генератора на частоте сигнала f₀, которые «засоряют» частотный диапазон и снижают амплитуду токов сигнала на частоте f₀, т.к. на образование этих токов затрачивают бесполезно потребляемую мощность генератора и устраняют перенапряжения между контактами ключа генератора.

Известно «Устройство передачи сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи», которое реализует известный способ, А.с. SU 1757111 A1, H04В 3/54, Бюл. №31, 1992 г.

Данный генератор образует два тока сигналов i₁(t)=I_mcosω₁t и i₂(t)=I_mcosω₂t, что является недостатком, т.к. это расширяет диапазон частот, занимаемый каналом связи, и требует на приемном пункте организовать двухканальный прием сигналов, что экономически нецелесообразно, а также при этом снижается вероятность приема сигналов, т.к. при выходе из строя одного приемного канала выходит из строя весь приемный тракт (АНАЛОГ).

Известен также «Способ Гутина К.И. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи» - патент №2224365, 20.02.2004 г., Бюл. №5 и «Генератор Гутина К.И. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи» - патент №2224366, 20.02.2004 г., Бюл. №5 - ПРОТОТИП.

Генератор образует токи сигналов i₀(t) на одной частоте f₀:

где I_m - амплитуда токов на частотах f₁ и f₂ в АНАЛОГЕ;

I_m.o=I_m - амплитуда токов на частоте f₀ в ПРОТОТИПЕ;

ω₁=2πf₁; ω₂=2πf₂; f₁=f₀-F; f₂=f₀+F; f₂-f₁=100 Гц;

F=50 Гц - частота промышленного напряжения;

ω₀=2πf₀; f₀ - частота коммутации ключа генератора - частота токов сигналов.

Увеличение амплитуды токов в ПРОТОТИПЕ в раз, по сравнению с АНАЛОГОМ, является достоинством, но при этом в ПРОТОТИПЕ образуются «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц, f₀±600 Гц, которые «засоряют» частотный диапазон и снижают амплитуду сигнала токов на частоте f₀, а также, при коммутации ключа с частотой f₀, между подвижным и неподвижным контактами ключа возникают перенапряжения, вызванные переходными процессами при низком КПД генератора.

В предлагаемом техническом предложении устранены перенапряжения между подвижным и неподвижным контактами ключа, а также устранены «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц, при увеличении КПД генератора.

На чертеже приведена схема генератора, которая реализует заявленное техническое предложение.

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

2. Трехфазная линия электропередачи 10 кВ.

3. Трехфазная линия электропередачи 0,4 кВ (линия).

4. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост).

5. Вторая катушка индуктивности (катушка).

6. Второй конденсатор (конденсатор).

7. Первая катушка.

8. Первый конденсатор.

9. Первый резистор.

10. Управляемый ключ (ключ).

11. Блок управления.

12. Электролитический конденсатор.

13. Второй резистор.

14. Третий резистор.

15. Четвертый резистор.

16. Пятый резистор.

РАБОТА ГЕНЕРАТОРА

1. Уберем из схемы генератора электролитический конденсатор и резисторы 13, 14, 15, 16, т.е. эта схема будет соответствовать схеме ПРОТОТИПА. Рассмотрим значения напряжений на выходе моста (точки 1-2) [1].

В связи с тем, что амплитуда каждого последующего члена разложения в ряд Фурье (1) резко уменьшается, ограничимся тремя членами разложения:

где

- амплитуда линейного напряжения;

- постоянная составляющая выпрямленного напряжения в ПРОТОТИПЕ (индекс пр.);

Ω=2πF - круговая частота;

F=50 Гц - частота промышленного напряжения;

6 Ω=6·2πF=2π·300 - шестая гармоника частоты 50 Гц;

12 Ω=12·2πF=2π·600 - двенадцатая гармоника частоты 50 Гц;

- амплитуда напряжения шестой гармоники частоты 50 Гц;

- амплитуда напряжения двенадцатой гармоники частоты 50 Гц.

Наличие в выпрямленном напряжении U(t)_1-2 шестой и двенадцатой гармоник частоты 50 Гц, при работе генератора на частоте f₀, вызывает образование «паразитных» токов на частотах f±300 Гц и f₀±600 Гц.

Для того чтобы «паразитных» токов не было, в заявленном техническом предложении, между точками 1-2 схемы генератора устанавливают электролитический конденсатор 12.

2. После подключения генератора к Фазам сети 0,4 кВ А, В, С, электролитический, конденсатор начнет заряжаться до амплитудного значения линейного напряжения по цепи, при потенциале Фазы А выше, чем потенциал Фазы В: Фаза А - диод Д₁ - "плюс"-"минус" конденсатора 12 - диод Д₅ - Фаза В. После заряда конденсатора 12, напряжение на выходе моста 4, между точками 1-2, будет равно:

где U_п.з. - постоянная составляющая выпрямленного напряжения в заявленном предложении (индекс з). Из (3) следует, что постоянная составляющая U_п.з увеличилась на 5%, по сравнению с напряжением ПРОТОТИПА - U_п.пр.

3. На ключ 10 приходят видеоимпульсы с блока управления 11, которые несут информацию о состоянии контролируемого объекта. При этом имеем:

где τ_з - время замкнутого состояния ключа 10,

- период частоты сигнала f₀,

U_упр - необходимая амплитуда видеоимпульсов управления, достаточная для замыкания ключа 10.

При замкнутом положении ключа, через него протекает ток i(t) по цепи: "плюс" конденсатора 12 - катушка индуктивности 5 - резистор 9 - ключ 10 - "минус" конденсатора 12. При этом выполняется условие:

где R_з - сопротивление резистора 9;

L_5.з - индуктивность катушки 5;

Элементы R_з, L_5з, τ_з выбирают из условия:

С учетом (6), выражение (5) приближенно примет вид, т.к.

при X≪1

где I_m.з - амплитуда тока сигналов в момент t=τ_з в заявленном генераторе.

Следует отметить, что в ПРОТОТИПЕ, при замкнутом положении ключа, ток i(t)_пр через ключ протекает по другой цепи: обмотка трансформатора Фазы А - диод Д₁ - точка 1 - катушка индуктивности 5 - резистор 9 - ключ 10 - диод Д₅ - обмотка трансформатора Фазы В.

Спектр различных модификаций трансформаторов 10/0,4, к которому присоединяют генератор, лежит в диапазоне мощностей (25÷1000) кВА. Индуктивность двух обмоток трансформатора, по которым протекает ток i(t)_пр равна [2]:

где 2L_тр - индуктивность двух обмоток трансформатора 10/0,4 кВ, мГн;

U_к≈5% - напряжение короткого замыкания трансформатора 10/0,4 кВ;

S_тр - мощность трансформатора, кВА.

Таким образом, имеем:

Обычно не учитывают 2L_тр для мощностей трансформаторов S_тр>100 кВА.

При этом, катушку индуктивности 5 изготавливают с отпайками, что усложняет выполнение таких катушек.

В заявленном техническом предложении, в связи с тем, что ток через ключ 10 протекает через конденсатор 12, отпайки в катушке 5 не выполняют, что удешевляет производство и упрощает проектирование установки аппаратуры в электрических сетях.

Следует также отметить, что наличие в прототипе индуктивностей трансформатора 10/0,4 кВ, сдерживало уменьшение величины τ_з - времени замкнутого положения ключа, а также уменьшение величины индуктивности катушки 5.

Известно, что КПД генератора является функцией выражения (6), т.е. , при этом КПД растет с уменьшением величины [3].

С другой стороны, уменьшение индуктивности катушки 5 снижает собственное затухание параллельного контура, образованного катушкой индуктивности 5 и конденсатором 6, что в заявленном генераторе является положительным явлением.

Проведем расчет значения величины согласно (6).

1. Для генератора ПРОТОТИПА имеем:

*) f_0пр=1000 Гц - частота токов сигналов;

*) I_m.пр=17 A - амплитуда токов сигналов через ключ;

*) - длительность замкнутого положения ключа;

*) L_5пр=6,3·10^-3 Гн - индуктивность катушки 5;

*) R_пр=10 Ом - сопротивление резистора 9.

При этих значениях параметров амплитуда тока через ключ в ПРОТОТИПЕ равна согласно описанию I_m.пр=17 A.

Таким образом, величина в прототипе согласно (6) равна:

2. Для ЗАЯВЛЕННОГО генератора имеем согласно (6):

*) f_0з=f_0пр=1000 Гц - частота токов сигналов;

*) I_m.з=I_m.пр=17 А - амплитуда токов сигналов через ключ;

*) τ_з=0,055·T₀ - длительность замкнутого положения ключа;

*) L_5.з=1,73·10^-3 Гн - индуктивность катушки 5;

*) R_з=50 м - сопротивление резистора 9.

где τ_з=0,055

L_5.з - определено из выражения (7);

U_п.з=536 В - из выражения (3).

Тогда

Таким образом, величина в заявленном генераторе согласно (6) равна:

Сравнивая выражения (10) и (12), можно сделать вывод, что величина выражения (10) больше величины выражения (12) в:

Полученный результат в (13) позволяет сделать вывод, что КПД в ЗАЯВЛЕННОМ генераторе больше, чем КПД генератора ПРОТОТИПА согласно [3].

Проверим правомочность замены точного выражения (5) с его приближенным расчетом по выражению (7):

где I_m.з=16 A получено по приближенному выражению (7).

Таким образом, замена (5) на (7) дает небольшую ошибку, что на практике вполне допустимо.

*) В момент времени t=0,055T₀ ключ 10 размыкают.

За счет накопленной электромагнитной энергии в катушке индуктивности 5 в параллельном колебательном контуре L₅, C₆ возникнут свободные колебания, т.к. этот контур настроен в резонанс на частоту f₀, т.е.

где L₅ - индуктивность катушки 5, C₆ - емкость конденсатора 6.

*) В связи с тем, что катушки индуктивности 5 и 7 магнитосвязаны, в последовательном колебательном контуре, который образован Фазой С - конденсатором 8 - катушкой индуктивности 7 - Фазой В возникнут свободные колебания на частоте f₀, т.к. последовательный колебательный контур также настроен в резонанс на частоту f₀, при этом в трехфазную сеть 0,4 кВ вводят токи сигналов в виде радиоимпульсов, повторяющих по форме видеоимпульсы на информационном входе ключа,

*) Для правильной работы генератора, необходимо выполнить условие:

где C_Э - емкость электролитического конденсатора 12;

R₉=5 Ом - сопротивление резистора 9.

Для рассматриваемого случая, достаточно в качестве электролитического конденсатора применить, например, стандартный конденсатор типа:

С учетом (17) и (18) получим:

R_з=R₉

Сравнивая (19) и (20) делаем вывод, что неравенство (17) хорошо выполняется.

*) В связи с тем, что обмотки трансформатора 10/0,4 кВ имеют индуктивности, значение которых определено в (8), то для того, чтобы при коммутации ключа 10 с частотой f₀ между подвижным и неподвижным контактами не было перенапряжений, что может вызвать искру и выход из строя ключа, в качестве которого применен транзистор, в схему генератора введены резисторы 13, 14, 15. Резистор 16 установлен с целью ускоренного разряда электролитического конденсатора 12 через резистор 16, после отключения генератора от сети 0,4 кВ, с целью безопасного обслуживания генератора, т.к. конденсатор 12, как было показано выше, заряжается до напряжения U_п.з=536 В.

Значение сопротивлений резисторов 13, 14, 15, 16 принимают равными (200÷300) кОм.

Таким образом, мы доказали, что цель, поставленная изобретением, доказана:

1. Повышен КПД заявленного генератора.

2. При работе генератора не возникают «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц. На^{образование этих токов не затрачивают энергию генератора, которую используют для образования токов сигналов.}

3. Устранены перенапряжения между контактами ключа.

4. Устранены перенапряжения между контактами ключа 10 за счет установки резисторов 13, 14, 15.

При описании работы генератора были приняты следующие допущения:

1. Воздушный трансформатор, образованный катушками индуктивности 5 и 7 является идеальным с коэффициентом связи Кс=1 и коэффициентом трансформации К_т=1.

2. Затуханием в последовательном и параллельном колебательных контурах пренебрегаем, в связи с большой добротностью первой и второй катушек индуктивности, а также малыми значениями индуктивности катушек 5 и 7.

Активными сопротивлениями диодов моста, ключа, активными сопротивлениями катушек индуктивности 5 и 7 пренебрегаем, в связи с их малостью по сравнению с сопротивлением резистора 9.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники, Энергия, 1964, стр.227.

2. Гутин К.И., Цагарейшвили С.А. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень ВИЭСХ, выпуск 1(53), 1985 г., стр.13.

3. Нейман М.С. Курс радиопередающих устройств. Советское радио, 1965, стр.407-408.

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: 1. Повышение КПД генератора. 2. При работе генератора не возникают «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц. На образование этих токов не затрачивают энергию генератора, которую используют для образования токов сигналов. 3. Устранены перенапряжения между контактами ключа. 1 ил.

Способ ввода сигналов в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым запасают электромагнитную энергию во второй катушке индуктивности на интервале времени 0≤t≤τ₃ при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f₀, при этом в трехфазную линию электропередачи через низковольтные обмотки трансформатора 10/0,4 кВ вводят ток сигнала i₀(t), который протекает через последовательный колебательный контур, образованный низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, первым конденсатором, первой катушкой индуктивности, которая индуктивно связана со второй катушкой индуктивности, низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ Фазы В; за счет запасенной электромагнитной энергии во второй катушке индуктивности, в параллельном колебательном контуре, образованном второй катушкой индуктивности и вторым конденсатором, в промежутке времени τ₃≤t≤T₀ при разомкнутом ключе формируют ток свободных колебаний i₂(t) на частоте ω_св·=ω₀, упомянутые параллельный и последовательный колебательные контуры настраивают в резонанс на частоту сигнала f₀,

- для последовательного колебательного контура и

- параллельного колебательного контура, отличающийся тем, что запасают электромагнитную энергию во второй катушке индуктивности при прохождении тока i₁(t)₃ по цепи: «плюс» электролитического конденсатора, вторая катушка индуктивности, первый резистор, ключ, «минус» электролитического конденсатора, который заряжается до амплитудного значения линейного напряжения низковольтной обмотки трансформатора 10/0,4 кВ по цепи: соответствующая фаза низковольтной обмотки трансформатора 10/0,4 кВ, соответствующий диод трехфазного двухполупериодного выпрямительного моста, «плюс»-«минус» электролитического конденсатора, другая фаза низковольтной обмотки трансформатора 10/0,4 кВ, при этом L_2,3=L_1,3=1,73·10^-3 Гн - индуктивности первой и второй катушек,

τ₃=0,055·Т₀ - длительность замкнутого положения ключа,

- период частоты сигнала, C_1,3=C_2,3=14,7·10^-6 ф - емкости первого и второго конденсаторов.