СПОСОБ ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2008 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 пассивно-активный способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (Патент РФ №2224363 С2_{// БИ. 2004. №5).}

В данном техническом предложении генерируют два тока (f₁) и (f₂), 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 «способ Гутина К.И. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи», который принят за ПРОТОТИП (Патент РФ №2224365 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

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 - С₈;

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 Т₀ и в разомкнутом положении в промежутке t, где 0,25 Т₀≤t≤Т₀.

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

где L₅=6,5·10^-3 Гн; C₆=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 - C₆ 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 (f₀) и обратной (f₀) 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 Т₀ - 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 - 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=2π300 - 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=0,25 T₀, используя данные параметров ПРОТОТИПА:

где U_na=E₀=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 025 Т₀, 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;

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

6 - конденсатор, который имеет емкость - С₆;

10 - управляемый ключ;

9 - резистор, который имеет сопротивление - R;

5 - катушка индуктивности, которая имеет индуктивность - L;

12 - конденсатор, который имеет емкость - С₁₂;

13 - конденсатор, который имеет емкость - С₁₃

⊥ - 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 10 разомкнут.

- Конденсатор 6 будет заряжаться по цепи: Фаза А - диод Д1 - «плюс» конденсатора 6 - «минус» конденсатора 6 - резистор 9 - диод Д3 ⊥.

- Конденсатор 12 будет заряжаться по цепи: Фаза А - диод Д1 - «плюс» конденсатора 12 - «минус» конденсатора 12 - Фаза В - ⊥.

- Конденсатор 13 будет заряжаться по цепи: Фаза А - диод Д1 - катушка индуктивности 5 - «плюс» конденсатора 13 - «минус» конденсатора 13 - Фаза С - ⊥.

После заряда конденсаторов 6, 12, 13 схема будет находиться в устойчивом состоянии, при этом напряжение на обкладках конденсаторов 6, 12, 13 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 6 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 6 - катушка индуктивности 5 - ключ 10 - «минус» конденсатора 6.

- Конденсатор 12 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 12 - катушка индуктивности 5 - ключ 10 - резистор 9 - диод Д3 - ⊥ - Фаза В - «минус» конденсатора 12.

- Конденсатор 13 начнет разряжаться по цепи: «плюс» конденсатора 13

- ключ 10 - резистор 9 - диод Д3 - ⊥ - Фаза С - «минус» конденсатора 13;

- При прохождении тока разряда конденсатора 6 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 12, пренебрегаем, т.к. имеем:

где R - сопротивление резистора 9;

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 τ - интервал замкнутого положения ключа.

- В момент времени t=τ ключ 10 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 13 - «минус» конденсатора 13 - Фаза С - Фаза В - «минус» конденсатора 12 - «плюс» конденсатора 12.

- Колебательный контур настраивают в резонанс на частоту f₀,

где

L - индуктивность катушки 5;

C_Σ - сумма двух емкостей С₁₂ и С₁₃, которые включены последовательно.

Принимаем С=С₁₂=С₁₃, 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 аналога:

1. f₀=1000 Гц - частота сигнала.

2. - амплитуда выпрямленного напряжения 220 В, частоты 50 Гц на обкладках конденсаторов 6, 12, 13.

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 12 и 13

- 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 e^-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 ср.п} составит 88%, что вполне допустимо.

- Резистор 9 установлен для ограничения тока разряда конденсаторов 12 и 13 через ключ 10 при его открытии. Принимаем сопротивление резистора 9 равным 100 Ом.

- Величину емкости конденсатора 6 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.

Литература

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1978. Стр.305.

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:

1. Снижение потребляемой мощности генератором в 3,5 раза

2. Устранение «паразитных» токов на частотах f₀±300 Гц; f₀±600 Гц.

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

4. Элементы ключа генератора находятся не под выпрямленным линейным напряжением 380 В, а под выпрямленным фазным напряжением 220 В. 2 ил.

Способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым выпрямляют фазное напряжение с помощью диодного моста, выполненного на диодах Д1, Д2, Д3, Д4, коммутируют ключ с частотой f₀, таким образом, что в интервале времени t, где 0≤t≤τ ключ замкнут, а в интервале τ≤t≤T₀ (T₀ - период частоты f₀) ключ разомкнут, отличающийся тем, что при разомкнутом ключе заряжают первый конденсатор по цепи: фаза А - диод Д1 - "плюс" первого конденсатора - "минус" первого конденсатора - резистор - диод Д3 - заземленная нейтраль; заряжают второй конденсатор по цепи: фаза А - диод Д1 - "плюс" второго конденсатора - "минус" второго конденсатора - фаза В - заземленная нейтраль; заряжают третий конденсатор по цепи: фаза А - диод Д1 - катушка индуктивности - плюс третьего конденсатора - минус третьего конденсатора - фаза С - заземленная нейтраль; при замкнутом ключе разряжают первый конденсатор по цепи: "плюс" первого конденсатора - катушка индуктивности - ключ - "минус" первого конденсатора; разряжают второй конденсатор по цепи "плюс второго конденсатора" - катушка индуктивности - ключ - резистор - диод Д3 - заземленная нейтраль - фаза В - "минус" второго конденсатора; разряжают третий конденсатор по цепи: "плюс" третьего конденсатора - ключ - резистор - диод - заземленная нейтраль - фаза С - "минус" третьего конденсатора; при этом колебательный контур, образованный вторым конденсатором, катушкой индуктивности и третьим конденсатором настраивают в резонанс на частоту f₀.