Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть

 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи (0,4-35) кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический эффект - снижение мощности, потребляемой генератором, в 6, 7 раз. 1 ил.

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 - снижение потребляемой мощности из сети.

Известен пассивно-активный способ образования токов сигналов, который реализован в генераторе. (К.И.Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1(53), ВИЭСХ, М., 1985 г., стр.7).

В данном способе сигнал вводят в сеть по схеме Фаза - Фаза.

Недостатки данного генератора, реализующего известный способ.

1. Образование 4-х токов вместо двух в сети Индексы при токах обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз. Для приема используют только .

где f₁=f_о-F; f₂=f_о+F.

На "паразитные" токи затрачивают бесполезно мощность из сети.

f_о - частота сигнала (коммутации ключа); F - частота напряжения сети.

2. За счет разряда конденсатора на резистор затрачивают также большую мощность из сети.

Известен так же пассивно-активный способ образования токов сигналов, принятый за прототип, который реализован в трехфазном генераторе пассивно-активного типа. (C.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, Москва, 2(5), 2001 г., стр.56).

Данный генератор генерирует два тока , что является достоинством по сравнению с аналогом, т.к. не тратится мощность на образование "паразитных" токов , но остался недостаток - большая мощность потерь за счет разряда междуфазных конденсаторов на резистор при замыкании ключа.

Реализация предложенного способа значительно снижает потребляемую мощность из сети.

Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым на участке времени t, где 0≤t≤T_o, протекают токи сигналов в трех фазах, которые представляют собой биения колебаний i_A(t), i_B(t), i_C(t), при этом ток протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ (трансформатор) Фазы А - первая катушка индуктивности (катушка), при этом ток протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора Фазы В - вторая катушка, при этом ток протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - третья катушка, на пассивном участке времени t, где , накапливают электромагнитную энергию в первой, второй, третьей катушках, на активном участке времени t, где создают свободные колебания в колебательных контурах (контур) за счет накопленной энергии,
в первом контуре: низковольтная обмотка трансформатора Фазы А - первая катушка - первый конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора Фазы С.

во втором контуре: низковольтная обмотка трансформатора Фазы В - вторая катушка - второй конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора Фазы А.

в третьем контуре: низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - третья катушка - третий конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора Фазы В, при этом первый, второй, третий колебательные контуры настраивают в резонанс на частоту сигнала f_o, где

получают в сети низкого напряжения 0,4 кВ два тока: ток обратной последовательности на частоте f₁ и ток прямой последовательности на частоте f₂, трансформируют токи в электрическую сеть среднего напряжения 10 кВ, где:
2Im - амплитудное значение биений токов сигналов;
F - частота напряжения 0,4 кВ в трехфазной электрической сети;
- период fo;
L+L_тр - индуктивность в первом, втором, третьем контурах;
L_тр - индуктивность низковольтных обмоток Фаз А, В, С трансформатора;
L - индуктивность первой, второй, третьей катушек;
С - междуфазная емкость первого, второго, третьего конденсаторов.

ω₁ = 2πf₁; ω₂ = 2πf₂; f₁=f₀-F; f₂=f_o+F
Схема генератора, реализующего заявленный способ, приведена на фиг.1, где:
1. Трансформатор
2. Сеть 0,4 кВ
3. Первая катушка
4. Первый конденсатор
5. Первый диодный мост
Примечание: диоды 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ показаны в схеме диодного моста 5 для описания работы генератора.

6. Первый резистор
7. Сигнальный ключ (ключ)
8. 8, 9, 10 - резисторы соответственно второй, третий, четвертый
11. Вторая катушка
12. Второй конденсатор
13. Второй диодный мост
14. Третья катушка
15. Третий конденсатор
16. Третий диодный мост
В связи с тем, что схема генератора, реализующего заявленный способ, состоит из трех одинаковых элементов, образованных первой, второй, третьей катушками 3, 11, 14 первого, второго, третьего конденсаторов 4, 12, 15, достаточно рассмотреть работу одного из трех одинаковых элементов, работа остальных двух элементов будет идентична.

Работает ГЕНЕРАТОР следующим образом.

1. Рассмотрим работу генератора, выполненного по схеме, как в принятом прототипе. Конденсатор прототипа 4₁ (фиг.1) показан пунктиром, включен между фазами АВ. Принимаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В. При значении t= 0 конденсатор 4₁ заряжен, как это показано на фиг.1. В промежутке времени ключ замкнут. Через ключ протекают два тока: 1. Ток заряда ₃(t) электромагнитной энергией катушки; 2. Ток разряда i_p(t) конденсатора 4₁ на резистор 6. (Значениями сопротивлений диодов и ключа пренебрегают, в связи с их малостью по сравнению с величиной сопротивления резистора - 6). Ток разряда i_p(t) протекает по цепи: "плюс" конденсатора 4₁ - диод 5₁ - резистор 6 - ключ 7 - диод 5₃ - "минус" конденсатора 4₁. Действующее значение напряжения, приложенного к конденсатору 4₁, равно U=380 В. Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т_с, равна
W_c=U²C, (4)
где W_c - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁, за один период Т_o.

U=380 B - действующее значение линейного напряжения в сети;
С - величина емкости конденсатора 4₁.

При протекании тока i_p(t) разряда конденсатора 4₁ напряжение на нем U_с(t) убывает по экспоненте:

где - амплитудное значение;
t - время разряда конденсатора, τ = R•C;
l - основание натурального логарифма;
R - величина сопротивления резистора 6.

Энергия, рассеиваемая в сопротивлении R в течение всего переходного процесса, равна энергии, запасенной в электрическом поле до коммутации, т.е. в промежутке времени t, где
Переходный процесс считают законченным через промежуток времени
t≅(3÷4)τ
Для расчета величины мощности потерь в прототипе задают конкретные исходные данные, взятые, например, из расчета генератора, схема которого аналогична схеме аналога (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53). ВИЭСХ, М., 1985 г., стр.6-16.)
Где f₀=833 Гц - частота тока сигнала (коммутация ключа 7);
Q_к=20 - добротность катушки;
R=8 Ом - величина сопротивления резистора 6;
С=8•10^-6 Ф - величина емкости конденсатора 4₁;
L=4,57•10^-3 Гн - величина индуктивности катушки.

Определим время t_разр.(С), принятое для разряда конденсатора 4₁.

Определим промежуток времени t_разр.(τ) разряда конденсатора 4₁ за промежуток времени 4τ:
4τ=4RC=4•8•8•10^-6=2,56•10^-4c (7)
Сравнивая выражения (6) и (7), можно утверждать, что конденсатор 4₁ полностью разрядится на резистор 6.

Определим мощность потерь Р_п за счет разряда конденсатора 4₁ на резистор 6 при непрерывной работе генератора
P_п=U²C•f₀=380²•8•10^-6•833=960 Вт (8)
Учитывая, что генератор работает только при передаче символов "1", a при передаче символов "0" не работает и, что в сообщении количество сигналов "1" и "0" одинаково, мощность потерь, при передаче символов "1" - Р_п ("1") равна

Следует учесть, что основная нагрузка при передаче сигналов приходится па генератор, установленный на диспетчерском пункте (ДП), который и ведет циклический опрос состояния электрооборудования, установленного на 1, 2, 3.. . контролируемых пунктах (КП). Принимают условие, что длительность передачи информации с КП и два раза больше, чем длительность запроса с ДП, тогда с учетом (9) мощность потерь в генераторе ДП - Р_п (ДП) будет равна

2. Рассмотрим работу генератора, реализующего заявленный способ, т.е., когда конденсатор 4 включен между фазами А и С, при условии, что потенциал Фазы Л выше потенциала Фазы В, т.е. открыты диоды моста 5₁ и 5₃. Выше было отмечено, что при работе генератора, кроме тока разряда i_p(t), протекает ток i₃(t) - заряда электромагнитной энергией катушки, который протекает в промежутке времени t, где

Ток заряда катушки i₃(t) протекает по цепи низковольтная обмотка трансформатора Фазы А - катушка 3 - диод 5₁ - резистор 6 - ключ 7 - диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора Фазы В. Определим максимальную величину этого тока при ; U=380 В; R=8 Ом; - амплитудное значение.

L=4,57•10^-3 Гн, f_o=833 Гц

где t - время заряда катушки; l - основание натуральной логарифма.

В момент времени ключ размыкают и за счет накопленной энергии в катушке (индуктивностью обмоток трансформатора пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностью катушки) в колебательном контуре, образованном Фазой А - катушкой 3 - конденсатором 4 - Фазой С, возникает ток свободных колебаний , который вводят в фазы АС.

В момент времени t=0 ключ размыкают, и рассмотренный выше процесс работы генератора повторяют.

Рассмотрим вопрос разряда конденсатора - 4 на сопротивление R-6.

Считаем, что в промежутке времени t, где , как в п.1, потенциал Фазы А выше потенциала Фазы В, т.е. открыты диоды 5₁ и 5₃ и конденсатор -4 имеет заряды, как показано на фиг.1 (обозначены пунктиром).

В этом случае для тока разряда конденсатора -4 имеются два пути прохождения:
Путь 1: "плюс" конденсатора 4 - диод 5₁ - резистор 6 - ключ 7 - диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора Фазы В - низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - "минус" конденсатора 4.

Активное сопротивление этой цепи R (путь 1) равно
R_(путь1)=R=8 Ом (12)
Путь 2: "плюс" конденсатора 4 - катушка 3 - низковольтная обмотка трансформатора Фазы А - низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - "минус" конденсатора 4.

Активное сопротивление этой цепи R (путь 2) равно R_k, т.е.
При этом активными сопротивлениями индуктивностей обмоток трансформатора пренебрегают.

Резисторы 8, 9, 10 устанавливают для устранения перенапряжений в обмотках трансформатора и катушки, при коммутации ключа, это являлось еще одним недостатком в аналоге и прототипе.

Сравнивая выражения (12) и (13), можно утверждать, что в генераторе потребляемая мощность, расходуемая на разряд емкости через сопротивление R6, снижена в К раз:

Определим мощность потерь R_потерь(ДП)₃ в заявленном генераторе с учетом (10) и (16)

Полученный результат (15) позволяет сделать вывод, что цель, поставленная изобретением достигнута, т.е. снижена мощность в 6,7 раза.

Формула изобретения

Способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым накапливают электромагнитную энергию в первой, второй и третьей катушках индуктивностей при протекании токов заряда в трех фазах

на участке времени при замкнутом ключе, отличающийся тем, что ток заряда соответствующей катушки протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ соответствующей фазы - соответствующая катушка - соответствующий диодный мост - резистор - ключ - соответствующий диодный мост - низковольная обмотка трансформатора следующей фазы, на активном участке времени t, где при разомкнутом ключе, создают свободные колебания в следующих колебательных контурах за счет накопленной энергии в упомянутых катушках индуктивностей в первом контуре, в состав которого входит низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы А - первая катушка индуктивности - первый конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, во втором контуре, в состав которого входит низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы В - вторая катушка индуктивности - второй конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы А, в третьем контуре, в состав которого входят низковольтная обмотка трансформатора фазы С - третья катушка индуктивности - третий конденсатор - низковольная обмотка трансформатора фазы В, при этом первый, второй, третий колебательные контуры настраивают в резонанс на частоту сигнала f_o, где

получают в сети низкого напряжения 0,4 кВ два тока: ток обратной последовательности I₂(f₁) на частоте f₁ и ток прямой последовательности I₁(f₂) на частоте f₂, трансформируют токи I₂(f₁) и I₁(f₂) в электрическую сеть среднего напряжения 10 кВ,

где 2I_m - амплитудное значение биений токов сигналов;

F - частота напряжения в трехфазной электрической сети;

L+2L_тр - индуктивности в первом, втором, третьем колебательных контурах;

L_тр - индуктивность низковольтных обмоток фаз А, В, С трансформатора 10/0,4 кВ;

L - индуктивность первой, второй, третьей катушек индуктивности;

С - междуфазная емкость первого, второго, третьего конденсаторов,

индексы при токах и обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз,

ω₁=2πf₁; ω₂=2πf₂;

f₁=f₀-F; f₂=f₀+F;

РИСУНКИ

Рисунок 1