ПЕРЕДАТЧИК ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ 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. Достигаемый технический результат:

1. Снижение потребляемой мощности передатчиком в 3,5 раза по сравнению с прототипом при одних и тех же основных параметрах.

2. Устранены «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц.

3. Изъят из схемы воздушный трансформатор, в котором трудно получить коэффициент связи, близкий к единице. Вместо него используют воздушную катушку индуктивности, что значительно упрощает передатчик при изготовлении.

4. Элементы ключа находятся не под линейным напряжением 380 В, а под фазным напряжением 220 В, что удешевляет стоимость элементов передатчика.

Известен генератор с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (Патент РФ №2224363 С₂ // БИ. 2004. №5).

В данном техническом предложении генерируют два тока и , что является недостатком, т.к. требует применять двухканальный прием сигналов, что экономически нецелесообразно. Также следует отметить, что применять транзистор в данном устройстве нельзя из-за больших бросков тока в момент открытия ключа.

Известен также «Генератор Гутина К.И. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи», который принят за ПРОТОТИП (Патент РФ №2224366 С₂ // БИ. 2004. №5). Данный генератор генерирует один ток на частоте f₀, поэтому на приеме требуется один узкополосный фильтр, но остались недостатки:

1) большая потребляемая мощность;

2) наличие «паразитных» токов на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц;

3) применение воздушного трансформатора в схеме передатчика;

4) элементы ключа находятся под линейным напряжением, амплитуда которого равна 380 В·=536 В.

Сравним технические характеристики генератора, который принят за ПРОТОТИП, с техническими характеристиками генератора, который реализует заявленный способ. Принципиальная схема генератора ПРОТОТИПА приведена на фиг.1, где

1 - трансформатор 10/0,4 кВ (трансформатор);

2 - трехфазная линия электропередачи 10 кВ;

3 - трехфазная линия электропередачи 0,38 кВ (линия);

4 - трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост);

5 - катушка индуктивности (катушка), ее индуктивность - L₅;

6 - конденсатор, его емкость - С₆;

7 - катушка, ее индуктивность - L₇;

8 - конденсатор, его емкость - C₈;

9 - резистор, его сопротивление - R;

10 - управляемый ключ;

11 - блок управления.

Блок управления 11 вырабатывает импульсы для управления ключом 10, который коммутируют с частотой f₀. Ключ 10 находится в замкнутом положении в промежутке времени t, где 0≤t≤0,25 То и в разомкнутом положении в промежутке t, где 0,25 Т₀≤t≤T₀.

Параллельный контур, образованный катушкой 5 и конденсатором 6, настраивают в резонанс на частоту f₀:

где L₅=6,5·10^-3 Гн; С₆=4·10^-6 Ф.

Ток сигнала вводят в две фазы линии 0,38 кВ В и С, который равен:

где I_m - амплитуда тока сигнала.

В интервале времени t, где 0≤t≤0,25 Т₀, ключ 10 замкнут и через катушку 5 протекает ток (считаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В, при этом открыты затемненные диоды моста 4) по цепи:

фаза А - мост 4 - катушка 5 - резистор 9 - ключ 10 - мост 4 - фаза В.

В момент времени t, где t=0,25 Т₀, катушка 5 накопила электромагнитную энергию W, которая равна:

За счет накопленной энергии W в катушке 5 в параллельном колебательном контуре L₅-С₆ возникнут свободные колебания на частоте f₀ в интервале времени t, где 0,25 Т₀≤t≤Т₀, при этом ключ 10 разомкнут.

В последовательном колебательном контуре, который образован фазой С - конденсатором 8 - катушкой 7 - фазой В, так же возникнут колебания с частотой f₀, т.к. катушки 5 и 7 магнитосвязаны.

Для простоты изложения индуктивностями обмоток трансформатора 1 пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями катушек 5 и 7. Активными сопротивлениями катушек 5 и 7, а также активными сопротивлениями обмоток трансформатора 1 пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с активным сопротивлением резистора 9.

При вводе тока сигнала i₀(t) в две фазы В и С трехфазной линии 0,38 кВ в ней будут образованы два тока симметричных составляющих на частоте f₀ прямой и обратной последовательностей.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОТИПА:

1) f₀=1000 Гц - частота сигнала (коммутации ключа 10);

2) L=L₅=L₇=6,5·10^-3 Гн - индуктивность катушек 5 и 7;

3) С=С₆=C₈=4·10^-6 Ф - емкость конденсаторов 6 и 8;

4) S_тр=(400-1000) кВ А - мощность трансформатора 10/0,4 кВ;

5) R=10 Ом - сопротивление резистора 9;

6) τ=0,25 T₀ - интервал времени замкнутого положения ключа.

Разложим в ряд Фурье трехфазное выпрямленное напряжение на выходе моста при разомкнутом ключе, между точками Т1 и Т2 (фиг.1):

В связи с тем, что амплитуда каждого последующего члена разложения в ряд Фурье (4) резко уменьшается, ограничимся тремя членами разложения:

где U_m=380=536 В - амплитуда линейного напряжения;

- постоянная составляющая выпрямленного напряжения в аналоге (индекс а);

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=2π600 - 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 f₀±300 Гц и f₀±300 Гц, которые являются помехами.

Определим амплитуду тока через ключ в момент времени t, где t=0,25T₀, используя данные параметров ПРОТОТИПА:

где U_na=Е₀=512 В - постоянная составляющая выпрямленного трехфазного напряжения в аналоге;

R=10 Ом - сопротивление резистора 9;

L=6,5·10^-3 Гн - индуктивность катушек 5 и 7;

τ=0,25 Т₀ - время замкнутого положения ключа.

Определим потребляемую мощность при протекании тока через ключ, с учетом выражения (6)

где I_{m cp} - средняя амплитуда тока, проходящего через ключ.

Считаем, что ток через ключ нарастает линейно, т.к. величина

В выражении (7) числитель умножается на 0,25. Это связано с тем, что ключ находится в замкнутом состоянии 025Т₀, когда протекает через него ток, создавая потери мощности. Когда ключ разомкнут, потерь мощности из сети нет.

АНАЛИЗ НЕДОСТАТКОВ ПРОТОТИПА

1. Большая мощность потерь согласно выражению (7) Р=90 Вт.

2. Наличие «паразитных» токов на частотах f₀±300 Гц и f₀±600 Гц, которые являются помехами для работы соседних каналов связи.

3. Наличие воздушного трансформатора. Для изготовления воздушного трансформатора требуется более сложный технологический процесс по сравнению с изготовлением воздушной катушки индуктивности. Следует отметить, что трудно получить коэффициент связи между обмотками воздушного трансформатора, который бы приближался к единице.

4. В аналоге элементы ключа находятся под линейным напряжением 380 В, т.е. требуют высоковольтных элементов, что удорожает передатчик.

На фиг.2 приведена принципиальная схема заявленного передатчика, реализующего заявленное техническое предложение,

где Р - рубильник для подключения передатчика сети 220 В, 50 Гц;

1 - двухполупериодный выпрямительный мост на диодах Д1, Д2, Д3, Д4;

2 - электролитический конденсатор, который имеет емкость - С₂;

3 - управляемый ключ;

4 - резистор, который имеет сопротивление - R;

5 - катушка индуктивности, которая имеет индуктивность - L;

6 - конденсатор, который имеет емкость - С₆;

7 - конденсатор, который имеет емкость - С₇

⊥ - нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена.

РАБОТА ЗАЯВЛЕННОГО ПЕРЕДАТЧИКА

Подключим рубильник к Фазе А сети 220 В, 50 Гц, в момент времени t, где t<0, при этом считаем, что в момент включения потенциал Фазы А выше, чем потенциал ⊥, при этом затемненные диоды будут открыты, ключ 3 разомкнут.

- Конденсатор 2 будет заряжаться по цепи: фаза А - диод Д1 - «плюс» конденсатора 2 - «минус» конденсатора 2 - резистор 4 - диод Д3 - ⊥.

Конденсатор 6 будет заряжаться по цепи: фаза А - диод Д1 -«плюс» конденсатора 6 - «минус» конденсатора 6 - фаза В - ⊥.

Конденсатор 7 будет заряжаться по цепи: фаза А - диод Д1 - катушка индуктивности 5 - «плюс» конденсатора 7 - «минус» конденсатора 7 - фаза С - ⊥.

После заряда конденсаторов 2, 6, 7 схема будет находиться в устойчивом состоянии, при этом напряжение на обкладках конденсаторов 2, 6, 7 равно амплитуде напряжения 220 В - Е₀, где

Управляемый ключ (ключ) начинают коммутировать с частотой f₀, при этом в интервале времени t, где

ключ замкнут.

Конденсатор 2 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 2 - катушка индуктивности 5 - ключ - «минус» конденсатора 2.

Конденсатор 6 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 6 - катушка индуктивности 5 - ключ - резистор - диод Д3 - ⊥ - фаза В -«минус» конденсатора 6.

Конденсатор 7 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 7 - ключ - резистор - диод Д3 - ⊥ - фаза С - «минус» конденсатора 7;

При прохождении тока разряда конденсатора 2 катушка индуктивности 5 будет накапливать электромагнитную энергию, которая в момент времени t, где t = τ, будет равна:

где I_m - максимальная амплитуда тока заряда, протекающего через ключ, в момент времени t=τ;

L - индуктивность катушки индуктивности 5.

Значением энергии, накопленной катушкой индуктивности 5, за счет протекания тока разряда конденсатора 6 пренебрегаем, т.к. имеем:

где R - сопротивление резистора 4;

R_L - активное сопротивление катушки индуктивности 5.

Величину I_m определяют из выражения:

В дальнейшем мы покажем, что величина

При выполнении условия (14) имеем:

С учетом (15) выражение (13) примет вид:

где E₀=220×=310 В;

τ - интервал замкнутого положения ключа.

В момент времени t=τ ключ переходит в разомкнутое положение.

За счет запасенной электромагнитной энергии в катушке индуктивности 5 в колебательном контуре возникнут свободные колебания с частотой f₀ по цепи: «плюс» конденсатора 7 - «минус» конденсатора 7 - фаза С - фаза В - «минус» конденсатора 6 - «плюс» 2 конденсатора 6.

Колебательный контур настраивают в резонанс на частоту f₀, где

L - индуктивность катушки 5;

C_Σ - сумма двух емкостей С₆ и С₇, которые включены последовательно.

Принимаем С=С₆=C₇, тогда имеем:

С учетом (18) выражение (17) примет вид:

Таким образом, в колебательном контуре протекает ток

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЗАЯВЛЕННОГО ПЕРЕДАТЧИКА

При расчете принимаем основные параметры

1) f₀=1000 Гц - частота сигнала;

2) Е₀=220=310 В - амплитуда выпрямленного напряжения 220 В, частоты 50 Гц на обкладках конденсаторов 2, 6, 7;

3) добротность катушки индуктивности Q=10;

4) промежуток времени замкнутого состояния ключа τ=0,25 Т₀;

5) амплитуда тока сигнала I_m=17 А.

Из выражения (16) определим индуктивность катушки 5

Из (18) определим емкость конденсаторов 6 и 7

Определим активное сопротивление катушки 5 с учетом (21)

Определим величину выражения (14) с учетом (21) и (23)

При определении выражения (16) мы считали, что величина . Приняв во внимание значение (24), делаем вывод, что выражение (16) принято правильно.

Определим потребляемую мощность при протекании тока через ключ:

где I_{m cp}=I_m·0,5.

Принимаем, что амплитуда тока через ключ нарастает линейно согласно (16)

Определим коэффициент затухания е^-δt в выражении (20), где

С учетом (26) и (27) вычисляем:

Определим среднюю амплитуду тока за период Т₀-I_{m ср.п}

Таким образом, средний ток в колебательном контуре за период Т₀-I_{m cp.п} составит 88%, что вполне допустимо.

Резистор 4 установлен для ограничения тока разряда конденсаторов 6 и 7 через ключ, при его открытии. Принимаем сопротивление резистора 4 равным 100 Ом.

Величину емкости конденсатора 2 принимаем равной 100·10^-6 Ф.

ВЫВОДЫ

1. Потребляемая мощность в новом передатчике, учитывая выражения (7) и (25), меньше в раз.

2. Устранены «паразитные» токи на частотах f₀±300 Гц, f₀±600 Гц.

3. Изъят из схемы передатчика воздушный трансформатор. Вместо трансформатора используют воздушную катушку индуктивности.

4. Элементы ключа находятся не под линейным напряжением 380 В, а под фазным напряжением 220 В.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования напряжения 220 В, 50 Гц в ток заданной амплитуды и частоты, который вводят в фазы В и С трехфазной линии электропередачи без ее обработки высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат: снижение потребляемой мощности генератором в 3,5 раза; устранение «паразитных» токов на частотах f₀±300 Гц; f₀±600 Гц; изъят из схемы генератора воздушный трансформатор; вместо трансформатора используют воздушную катушку индуктивности; элементы ключа генератора находятся не под выпрямленным линейным напряжением 380 В, а под выпрямленным фазным напряжением 220 В. 2 ил.

Передатчик ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ с заземленной нейтралью («земля» - ⊥), двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах D₁, D₂, D₃, D₄, при этом катоды диодов D₁ и D₂ подключены к узлу 1, первой обкладке первого конденсатора и к первому выводу катушки индуктивности, аноды диодов D₃ и D₄ подключены к узлу 2, катод диода D₃, и анод диода D₂ подключены к узлу 4, катод диода D₄ и анод диода D₁ подключены к узлу 3, второй конденсатор, резистор, ключ, второй вход которого является управляемым, отличающийся тем, что в него введены рубильник, третий конденсатор, первая обкладка которого подключена к второму выводу катушки индуктивности и к первому входу ключа, выход которого подключен к второй обкладке первого конденсатора и первому выводу резистора, второй вывод которого подключен к узлу 2, первая обкладка второго конденсатора подключена к узлу 1, вторые обкладки второго и третьего конденсаторов подключены соответственно к фазам В и С линии 0,38 кВ, узел 3 подключен к входу рубильника, выход которого подключен к фазе А, узел 4 подключен к «земле».