Генератор для ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей (0,4-35) кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Технический результат заключается в снижении мощности, потребляемой генератором из сети. В генератор для ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть введены три резистора, три диодных выпрямителя с соответствующим подключением их в схеме генератора. В результате в генераторе снижена мощность, потребляемая из сети, в 6,7 раза. 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 генератор для ввода токов сигналов в электрическую сеть (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, Москва, 1985 г., с.7) В данном генераторе токи сигналов вводят в сеть по схеме Фаза - Фаза. Недостатком данного генератора являются: 1. Образование 4-х токов вместо двух в электрической сети: Индексы при токах обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз.

Для приема используют только .

На "паразитные" токи затрачивают бесполезно мощность из сети, где f₁=f_о-F; f₂=f_о+F; f_о - частота сигнала (коммутации ключа); F - частота напряжения сети.

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

Известен также генератор для ввода токов сигналов в электрическую сеть, принятый за прототип (С.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., рис.3, с.56).

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

Реализация предложенного генератора значительно снижает мощность потребления из сети.

Генератор для ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть 2, содержащий трехфазный трансформатор 10/0,4 кВ 1, низковольтная обмотка которого Фазы А подключена к первому выводу первой катушки индуктивности 3, второй вывод которой подключен к первой обкладке первого конденсатора 4, низковольтная обмотка Фазы В подключена к первому выводу второй катушки индуктивности 11, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора 12, низковольтная обмотка Фазы С подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности 14, второй вывод которой подключен к первой обкладке третьего конденсатора 15, первый резистор 6, второй вывод которого подключен к входу сигнального ключа 7, в него введены второй 8, третий 9, четвертый 10 резисторы, первый 5, второй 13, третий 16 диодные выпрямительные мосты, причем входная диагональ первого диодного выпрямительного моста 5 включена между первой обкладкой первого конденсатора 4 и низковольтной обмоткой Фазы В, входная диагональ второго диодного выпрямительного моста 13 включена между первой обкладкой второго конденсатора 12 и низковольтной обмоткой Фазы С, входная диагональ третьего диодного выпрямительного моста 16 включена между первой обкладкой третьего конденсатора 15 и низковольтной обмоткой Фазы А, плюсовые шины выходных диагоналей первого 5, второго 13, третьего 16 диодных выпрямительных мостов подключены к первому выводу первого резистора 6, минусовые шины выходных диагоналей первого 5, второго 13, третьего 16 диодных выпрямительных мостов подключены к выходу сигнального ключа 7, при этом вторые обкладки первого 4, второго 12, третьего 15 конденсаторов соответственно подключены к низковольтным обмоткам Фазы С, Фазы А, Фазы В, при этом первые выводы второго 8, третьего 9, четвертого 10 резисторов объединены, вторые выводы каждого из которых подключены соответственно к низковольтным обмоткам Фаз В, С, А.

Схема генератора, реализующего заявленный способ, приведена на чертеже, 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 - 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 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 i(t) электромагнитной энергией первой катушки.

2. Ток разряда i_р(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 B.

Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т_о, равна:
W_c=U²C (1)
где W_c - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т_о.

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,
l - основание натурального логарифма, τ = R•C
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:
f_o=833 Гц - частота тока сигнала, (коммутация ключа),
Q_k=20 - добротность катушки,
R=80 м - величина сопротивления резистора 6,
С=8•10^-6 Ф - величина емкости конденсатора 4₁,
L=4,57•10^-3 Гн - величина индуктивности катушки 3.

Определим время t_разр(C), 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^-4 с (4)
Сравнивая выражения (3) и (4), 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. (5)
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 но передаче сигналов приходится на генератор, установленный на диспетчерском пункте (ДП). который ведет циклический опрос состояния электрооборудования установленного на 1, 2, 3... контролируемых пунктах (КП). Принимают условие, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса с ДП, тогда с учетом (9) мощность потерь в генераторе ДП - Р_п (Д, П) 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 А 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 i(t) заряда электромагнитной энергией катушки, который протекает в промежутке времени t, где

Ток заряда катушки i(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 B; R=8;
- амплитудное значение;
L=4,57•10^-3 Гн;
f_o=833 Гц.

где t - время заряда катушки, l - основание натурального 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, возникнет 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 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 - диод 5₁ резистор - 6, ключ, диод - 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора Фазы В - низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - "минус" конденсатора.

Активное сопротивление этой цепи R(путь 1)равно:
R_{(путь 1)}=R=8 Ом (9)
Путь 2: "плюс" конденсатора - катушка 3 - низковольтная обмотка трансформатора Фазы А - низковольтная обмотка трансформатора Фазы С - "минус" конденсатора 4.

Активное сопротивление этой цени 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 (9) и (10), можно утверждать, что в генераторе потребляемая мощность, расходуемая на разряд емкости через сопротивление R-6 снижена в К раз:

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

Полученный результат (12) позволяет сделать вывод, что цель, поставленная изобретением, достигнута, т.е. снижена мощность в 6,7 раза.

Формула изобретения

Генератор для ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трехфазный трансформатор 10/0,4 кВ, низковольтная обмотка которого фазы А подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке первого конденсатора, низковольтная обмотка фазы В подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора, низковольтная обмотка фазы С подключена к первому выводу третьей катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке третьего конденсатора, первый резистор, второй вывод которого подключен к входу сигнального ключа, отличающийся тем, что в него введены второй, третий, четвертый резистор, первый, второй, третий диодные выпрямительные мосты, причем входная диагональ первого диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой первого конденсатора и низковольтной обмотки фазы В, входная диагональ второго диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой второго конденсатора и низковольтной обмоткой фазы С, входная диагональ третьего диодного выпрямительного моста включена между первой обкладкой третьего конденсатора и низковольтной обмоткой фазы А, плюсовые шины выходных диагоналей первого, второго, третьего диодных выпрямительных мостов подключены к первому выводу первого резистора, минусовые шины выходных диагоналей первого, второго, третьего диодных выпрямительных мостов подключены к выходу сигнального ключа, при этом вторые обкладки первого, второго, третьего конденсаторов соответственно подключены к низковольтным обмоткам фазы С, фазы А, фазы В, при этом первые выводы второго, третьего, четвертого резисторов объединены, вторые выводы каждого из которых подключены соответственно к низковольтным обмоткам фаз В, С, А.

РИСУНКИ

Рисунок 1